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Die Erfindung betrifft ein für ein Stellgetriebe, insbesondere Wellgetriebe, geeignetes, flexibles Getriebebauteil, welches einen Hülsenabschnitt mit einer Außenverzahnung aufweist, die zur direkten Zusammenwirkung mit einem weiteren, in sich starren, innenverzahnten Getriebeelement vorgesehen ist.
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Wellgetriebe, welche prinzipbedingt mit einem flexiblen Getriebebauteil arbeiten, sind beispielsweise aus der
EP 0 514 829 B2 sowie aus der
EP 0 741 256 B1 bekannt. Nachgiebige Getriebebauteile dieser bekannten Wellgetriebe sind beispielsweise als becherförmige Zahnräder mit uneinheitlicher Wandstärke gestaltet. Die bekannten Wellgetriebe sollen für die Verwendung in kleinen Robotern geeignet sein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders günstiges Verhältnis zwischen Bauraumbedarf und Belastbarkeit eines mit mindestens einem verformbaren Bauteil arbeitenden Getriebes zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein flexibles Getriebebauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Das Getriebebauteil ist mit dem in Anspruch 7 spezifizierten Verfahren herstellbar. Weiter wird die Aufgabe gelöst durch ein Verstellgetriebe nach Anspruch 8, welches zusätzlich zu dem flexiblen Getriebebauteil nach Anspruch 1 mindestens ein in sich starres, innenverzahntes Getriebebauteil aufweist, welches direkt mit dem flexiblen, außenverzahnten Getriebebauteil zusammenwirkt. Im Folgenden im Zusammenhang mit den Vorrichtungen, das heißt dem flexiblen Ge- triebebauteil und dem Verstellgetriebe, erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Herstellungsverfahren und umgekehrt.
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Das flexible Getriebebauteil weist in an sich bekannter Grundform einen Hülsenabschnitt auf, an dessen Außenumfang sich eine Verzahnung, das heißt eine Außenverzahnung, befindet. Im einfachsten Fall ist das flexible Getriebebauteil allein durch den Hülsenabschnitt gebildet; es wird in diesem Fall als Flexring bezeichnet. Alternativ kann an den Hülsenabschnitt ein entweder radial nach innen oder radial nach außen gerichteter Flansch anschließen. Das gesamte Getriebebauteil weist dementsprechend entweder eine Topfform oder die Form einer Kragenhülse auf. In jedem Fall weisen Zähne der Außenverzahnung erfindungsgemäß Zahnflanken mit jeweils mindestens einem Rücknahmebereich auf. Unter einem Rücknahmebereich wird ein Bereich mit geschwächtem Zahnquerschnitt verstanden, welcher an eine Stirnseite des jeweiligen Zahnes grenzt. Die Querschnittsschwächung ist hierbei im Vergleich zu demjenigen Zahnquerschnitt gegeben, welcher mittig zwischen den beiden Stirnseiten des Zahnes liegt.
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Die Zähne des flexiblen Getriebebauteils können derart asymmetrisch geformt sein, dass sämtliche Rücknahmebereiche an dieselbe Stirnseite der Außenverzahnung grenzen. Diese Gestaltung trägt dem Umstand Rechnung, dass beim Betrieb des flexiblen Getriebebauteils asymmetrische Verformungen auftreten. Gemäß einer abgewandelten Gestaltung sind zwar zu beiden Stirnseiten der Außenverzahnung hin Rücknahmebereiche der Zähne ausgebildet, welche jedoch unterschiedlich ausgeprägt sind. Ebenso sind Gestaltungen realisierbar, bei welchen die Rücknahmebereiche an den beiden Stirnseiten der Außenverzahnung identisch gestaltet sind, das heißt die Zähne bezüglich einer Mittelebene, welche mittig zwischen die Stirnseiten der Außenverzahnung gelegt ist, symmetrisch geformt sind. Insbesondere im letztgenannten Fall weisen die Zahnflanken der Zähne jeweils eine ballige Gestalt auf. Insgesamt beschreibt die Außenverzahnung beispielsweise ein Evolventenprofil.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein flexibles Getriebebauteil, welches eine Komponente eines Wellgetriebes ist, bei dessen Betrieb typischerweise derart verformt wird, dass Abweichungen vom idealen, auslegungsgemäßen Zahneingriff gegeben sind. Im Vergleich zu einer Stirnradverzahnung, bei der eine erste Außenverzahnung mit einer zweiten Außenverzahnung kämmt, sind bei einem Wellgetriebe vergleichsweise viele Zähne einer starren Innenverzahnung einerseits und der Außenverzahnung des flexiblen Getriebebauteil andererseits miteinander im Eingriff. Somit wird es bei herkömmlichen Wellgetrieben als akzeptabel angesehen, dass lediglich einige Zähne im Zahneingriffsbereich auf ihrer kompletten Länge tragen, während andere Zähne hauptsächlich mit ihrem Zahnanfang oder –ende, also im Extremfall auf der Zahnkante, tragen. Diese Überlegungen haben Gültigkeit, solange die Positionierung, insbesondere Winkelausrichtung, einzelner Komponenten des Wellgetriebes nahe genug am auslegungsgemäßen Zustand ist.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen, balligen Form der Zahnflanken des flexiblen Getriebebauteils kommen hautsächlich dann zum Tragen, wenn geometrische Relationen, unter denen das flexible Getriebebauteil innerhalb des Getriebes arbeitet, vom auslegungsgemäßen Zustand abweichen. Derartige Abweichungen, insbesondere Winkelabweichungen, können beispielsweise durch Fertigungstoleranzen in der Serienfertigung und/oder durch thermisch oder mechanisch bedingte Verformungen von Bauteilen hervorgerufen sein.
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Die durch die Rücknahmebereich der Zähne erzeugte Balligkeit der Zahnflanken der Außenverzahnung ist vorzugsweise derart gestaltet, dass Berührpunkte der Verzahnung zumindest minimal von den Zahnkanten beabstandet sind. Zusätzlich oder alternativ zur Balligkeit der Verzahnung des flexiblen Getriebebauteils kann auch die Verzahnung des mit diesem zusammenwirkenden, innenverzahnten Getriebeelementes ballig ausgeführt sein.
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Die Verzahnung des flexiblen Getriebebauteils kann durch spanabhebende und/oder umformende Verfahren hergestellt werden. Als spanabhebende Verfahren sind beispielhaft Fräsen und Schleifen, als umformende, das heißt spanlose Verfahren Rollie- ren oder Prägen zu nennen. Allen Verfahren, mit welchen die Außenverzahnung des flexiblen Getriebebauteils herstellbar ist, ist gemeinsam, dass ein Bearbeitungswerkzeug in einer bestimmten geometrischen Relation relativ zum zu bearbeitenden Getriebebauteil verlagert wird.
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Bei allen Bearbeitungsverfahren wird ein Werkzeug, beispielsweise Rollierwerkzeug oder Fräswerkzeug, im Wesentlichen parallel zur Mittelachse eines Zahnradrohlings, aus welchem das flexible Getriebebauteil zu fertigen ist, vorgeschoben. In Abweichung von dieser linearen Vorschubrichtung wird hierbei bei der Formgebung der Zähne der Abstand zur Mittelachse des Zahnradrohlings während des Vorschubs variiert. Durch einen geringeren Abstand zwischen dem Werkzeug und der Mittelachse des Zahnradrohlings nahe der beiden Stirnseiten der Außenverzahnung im Vergleich zum mittleren Bereich der Verzahnung ergibt sich auf einfache Weise die gewünschte ballige Form der Zahnflanken. Der Bearbeitungsvorgang dauert hierbei nicht länger als die Herstellung einer Verzahnung mit konstantem Zahnprofil.
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Jeder Rücknahmebereich eines Zahnes weist in bevorzugter Ausgestaltung eine in Axialrichtung des Hülsenabschnitts gemessene Rücknahmelänge auf, welche mindestens 15 % und höchstens 40 % der in der selben Richtung gemessenen Gesamtbreite der Außenverzahnung, das heißt Verzahnungsbreite, entspricht. Im Bereich, welcher axial zwischen den jeweils an eine Stirnseite der Außenverzahnung grenzenden Rücknahmebereichen eines Zahnes liegt, kann dieser entweder einen konstanten Querschnitt oder eine im Vergleich zu den Rücknahmebereichen signifikant geringere Balligkeit aufweisen. Der Übergang zwischen dem mittleren, nicht oder nur minimal balligen Bereich des Zahnes und den Rücknahmebereichen ist vorzugsweise kantenfrei gestaltet.
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Der größte Querschnitt eines jeden Zahnes ist im Bereich der zentral zwischen den beiden Stirnseiten der Außenverzahnung liegenden Mittelebene gegeben. Der in die Zahnflanke eingeformte Rücknahmebereich schwächt den Zahnquerschnitt an der betreffenden Zahnflanke um einen Maximalbetrag, welcher vorzugsweise mindestens 2 % und maximal 9 % der Zahndicke entspricht. Die Zahndicke wird hierbei am Teilkreis der Außenverzahnung in Umfangsrichtung gemessen.
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Der Rücknahmebereich des Zahnes beschreibt am Übergang zum Zahnkopf einen Bogen, dessen Radius mindestens dem Doppelten, insbesondere mehr als dem Vierfachen, des Teilkreisdurchmessers der Außenverzahnung, bezogen auf den unverformten Zustand des flexiblen Getriebebauteils, entspricht. Gleichzeitig entspricht der genannte Radius vorzugsweise höchstens dem Zwanzigfachen des Teilkreisdurchmessers der Außenverzahnung.
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Mit der beschriebenen geometrischen Gestaltung ergeben sich beim Betrieb des flexiblen Getriebebauteils Berührellipsen, welche für eine Verteilung der auftretenden Zugspannungen auf große Flächen sorgen. Hierbei ist die Länge der Berührellipse typischerweise mindestens doppelt so breit wie deren Breite. Die lange Halbachse der Berührellipse erstreckt sicher hierbei im Wesentlichen in Axialrichtung des flexiblen Getriebebauteils.
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Ist das flexible Getriebebauteil als Flexring gestaltet, so kann sich die Außenverzahnung über dessen gesamte Breite erstrecken. Bei Gestaltung des flexiblen Getriebebauteils als Topf, das heißt Flextopf, oder als Kragenhülse erstreckt sich die Außenverzahnung dagegen vorzugsweise über weniger als 50 % der in Axialrichtung gemessenen Breite des Hülsenabschnitts. Gemeinsames Merkmal eines Flextopfes und einer Kragenhülse ist ein Radialabschnitt, das heißt ein in einer zur Symmetrieachse des betreffenden Bauteils normalen Ebene liegender Abschnitt, bei welchem es sich im Fall des Flextopfes um einen nicht notwendigerweise geschlossenen Boden und im Fall der Kragenhülse um einen radial nach außen gerichteten Kragen handelt. Der Boden beziehungsweise der Kragen schließt an den hülsenförmigen, zylindrischen Abschnitt des Flextopfes beziehungsweise der Kragenhülse an.
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Das flexible Getriebebauteil ist prinzipiell für stationäre Getriebe ebenso wie für die Anwendung in Fahrzeugen geeignet. Im letztgenannten Fall handelt es sich bei dem
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flexiblen Getriebebauteil beispielsweise um eine Komponente eines Verstellgetriebes, welches die Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Motors oder der Phasenrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle eines Hubkolbenmotors ermöglicht. Im Fall der Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ist das flexible Getriebebauteil beispielsweise mit einer Exzenterwelle drehfest gekoppelt. Hinsichtlich Mechanismen zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors wird beispielhaft auf die
EP 1 154 134 A2 sowie auf die
EP 1 307 642 B1 hingewiesen.
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Eine Vorrichtung zur Verstellung der Phasenrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle, welche mit dem flexiblen Getriebebauteil als Teil eines Wellgetriebes arbeitet, ist vorzugsweise als elektrischer Nockenwellenversteller aufgebaut.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 in grob schematisierter Darstellung ausschnittsweise ein Verstellgetriebe, nämlich Wellgetriebe, mit einem flexiblen Getriebebauteil,
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2 das flexible Getriebebauteil der Vorrichtung nach 1 in perspektivischer Ansicht,
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3 einen Zahn des flexiblen Getriebebauteils nach 2,
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4 in einer schematischen Darstellung die Herstellung des flexiblen Getriebebauteils.
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Die 1 veranschaulicht den Aufbau eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Verstellgetriebes, nämlich Wellgetriebes, welches der Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors dient. Ein in sich starres Ge- triebebauteil 2 des Verstellgetriebes 1 ist als Gehäuse 2 ausgebildet, welches mit dem Motorblock des Hubkolbenmotors identisch oder fest verbunden ist. Das in sich starre Getriebebauteil 2 wirkt direkt mit einem flexiblen Getriebebauteil 3 zusammen, welches als Flextopf gestaltet ist. Eine Außenverzahnung des flexiblen Getriebebauteils 3 ist mit 4, eine damit kämmende Innenverzahnung des Gehäuses 2 mit 5 bezeichnet. Die Außenverzahnung 4 des flexiblen Getriebebauteils 3 befindet sich auf einem im Wesentlichen zylindrischen Hülsenabschnitt 6 des flexiblen Getriebebauteils 3, welcher an einen Boden 7 anschließt, der eine zentrale Öffnung 8 aufweist. Allgemein wird der Boden 7 als Radialabschnitt des flexiblen Getriebebauteils 3 bezeichnet. Die Mittelachse des flexiblen Getriebebauteils 3 ist mit M bezeichnet. Eine Schrägstellung der Mittelachse M gegenüber der Symmetrieachse des in sich starren Getriebebauteils 2 ist in 1 überhöht dargestellt. Beim Betrieb des Verstellgetriebes 1 wird der Hülsenabschnitt 6 des flexiblen Getriebebauteils 3 permanent durch einen nicht dargestellten Wellgenerator aufgeweitet, womit die Außenverzahnung 4 partiell in Eingriff mit der Innenverzahnung 5 gebracht wird.
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Mit dem Boden 7 des flexiblen Getriebebauteils 3 ist eine nicht dargestellte Exzenterwelle verbunden, welche mit Komponenten des Kurbeltriebs des Hubkolbenmotors derart zusammenwirkt, dass dessen Verdichtungsverhältnis verstellbar ist. Das flexible Getriebebauteil 3 ist zusammen mit der Exzenterwelle innerhalb eines in 2 angedeuteten Einstellbereichs EB verstellbar.
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Die Außenverzahnung 4 des flexiblen Getriebebauteils 3 ist durch Zähne 9 gebildet, wie in 3 dargestellt. Die in Axialrichtung des flexiblen Getriebebauteils 3 gemessene Breite eines jeden Zahnes 9 ist als Verzahnungsbreite VB bezeichnet. Mit d ist der Teilkreisdurchmesser der Außenverzahnung 4 bezeichnet. Die mit s bezeichnete Zahndicke wird am Teilkreis der Außenverzahnung 4 in Umfangsrichtung gemessen.
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In 3 sind ein Zahnkopf 10, zwei Zahnflanken 11, sowie Zahnfüße 12 erkennbar. Eine einhüllende Geometrie des Zahnes 9 ist in 3 in Form durchgezogener Linien dargestellt. Eine tatsächlich gegebene Abweichung von dieser einhüllenden Geometrie, nämlich ein Rücknahmebereich 13, ist dagegen gestrichelt eingezeichnet. Der Rücknahmebereich 13 stellt eine Schwächung des Querschnitts des Zahnes 9 an einer Zahnflanke 11 dar. Der Übersichtlichkeit halber ist in 3 lediglich ein einziger Rücknahmebereich 13 angedeutet. Tatsächlich befinden sich am Zahn 9 vier Rücknahmebereiche 13, so dass beide Zahnflanken 11 ballig geformt sind.
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Als Rücknahmelänge RL ist die in Axialrichtung des flexiblen Getriebebauteils 3 gemessene Erstreckung des Rücknahmebereichs 13 bezeichnet. Die Rücknahmelänge RL entspricht mindestens 15% und höchstens 40% der ebenfalls in Axialrichtung gemessenen Verzahnungsbreite VB.
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Der Rücknahmebereich 13 geht kantenfrei in den nicht geschwächten, die Zahndicke s aufweisenden Querschnittsbereich des Zahnes 9 über. Die maximale Schwächung des Zahnquerschnitts im Rücknahmebereich 13 ist durch den Betrag a ausdrückbar, welcher die Reduktion des Zahnquerschnitts, am Teilkreis in Umfangsrichtung gemessen, gegenüber der Zahndicke s angibt. Der Maximalbetrag a der Zahnflankenrücknahme innerhalb des Rücknahmebereichs 13 entspricht mindestens 2% und maximal 9% der Zahndicke s des Zahnes 9.
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Am Übergang zwischen dem Rücknahmebereich 13 und dem Zahnkopf 10 ist eine gekrümmte Linie mit einem Rücknahmeradius rR gegeben. Der Rücknahmeradius rR entspricht mehr als dem Vierfachen des Teilkreisdurchmessers d der Außenverzahnung 4.
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Betreffend die Herstellung des flexiblen Getriebebauteils 3 wird im Weiteren auf 4 verwiesen. Ein mit 14 bezeichnetes Werkzeug, nämlich Rollierwerkzeug oder Fräswerkzeug, wird in Vorschubrichtung VR gegenüber dem flexiblen Getriebebauteil 3 vorgeschoben. In verschiedenen Bearbeitungsbereichen A, B, C weist das Werkzeug 14 hierbei, wie aus 4 hervorgeht, unterschiedliche Abstände zum flexiblen Getriebebauteil 3 auf. Durch diese Variation des Abstandes zwischen Werkzeug 14 und flexiblem Getriebebauteil 3 werden auf rationelle Weise die Rücknahmebereiche 13 eines jeden Zahnes 9 erzeugt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verstellgetriebe
- 2
- Gehäuse, in sich starres Getriebebauteil
- 3
- flexibles Getriebebauteil
- 4
- Außenverzahnung
- 5
- Innenverzahnung
- 6
- Hülsenabschnitt
- 7
- Boden, Radialabschnitt
- 8
- Öffnung
- 9
- Zahn
- 10
- Zahnkopf
- 11
- Zahnflanke
- 12
- Zahnfuß
- 13
- Rücknahmebereich
- 14
- Werkzeug
- A, B, C
- Bearbeitungsbereiche
- a
- Maximalbetrag der Zahnflankenrücknahme
- d
- Teilkreisdurchmesser
- EB
- Einstellbereich
- M
- Mittelachse
- RL
- Rücknahmelänge
- rR
- Rücknahmeradius
- s
- Zahndicke
- VB
- Verzahnungsbreite
- VR
- Vorschubrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0514829 B2 [0002]
- EP 0741256 B1 [0002]
- DE 102004009128 A1 [0003]
- DE 102013220220 A1 [0003]
- DE 102014202060 A1 [0003]
- EP 1154134 A2 [0019]
- EP 1307642 B1 [0019]