Wellgetriebe mit seitlicher Führung des Stirnrades Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1. Wellgetriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt, hierzu sei beispielsweise auf die DE 102 22 695 A1 verwiesen. Wellgetriebe beinhalten normalerweise einen zylindrischen starren Ring mit einer Innenverzahnung bzw. alternativ auch zwei zylindrische starre Ringe mit einer Innenverzahnung, ein flexibles außen verzahntes Zahnrad, das im Inneren des starren Hohlrads angeordnet ist, sowie einen Wellgenerator, der in das Innere des flexiblen Zahnrads einge- passt ist. Der Wellgenerator ist gebildet aus einem starren Wellgetriebeeinsatz mit elliptischem Umriss sowie einem Wellgetriebelager, dass auf eine Außen- umfangsfläche des Wellgetriebeeinsatzes gepasst ist, so dass das flexible Zahnrad in eine elliptische Form gebogen wird und die Außenverzahnung des- selben, die an beiden Enden der Hauptachse der Ellipsenform angeordnet ist, mit der Innenverzahnung des starren Zahnrads kämmt. Wenn der Wellgenerator durch einen Motor oder dergleichen rotiert wird, bewegen sich die miteinander in Eingriff stehenden Teile der beiden Zahnräder in Umfangsrich- tung. Da eine Differenz in der Anzahl von Zähnen zwischen dem Außenzahn- rad und dem Innenzahnrad vorhanden ist, entsteht eine relative Rotation zwischen den Zahnrädern gemäß der Differenz in der Anzahl von Zähnen. Typischerweise beträgt die Differenz in der Anzahl von Zähnen zwei.

Wellgetriebe werden nach ihrer Bauweise in Topfgetriebe und Hülsengetriebe bzw. Flachgetriebe unterteilt. Beim Topfgetriebe ist das flexible Zahnrad in Topfform ausgeführt, dessen Boden an die Abtriebswelle angeflanscht ist. Das Übersetzungshohlrad wird als Flansch zur Anbindung an die Peripherie genutzt. Beim Hülsengetriebe ist das flexible Zahnrad in Ringform ausgeführt. Es kom- men zwei Hohlräder zum Einsatz, ein Übersetzungs- und ein Kupplungszahnrad, wobei das Kupplungszahnrad die identische Zähnezahl des flexiblen Zahnrads besitzt und das Übersetzungszahnrad mehr Zähne als das flexible Zahnrad aufweist. Bei schneller Drehung des Wellgenerators mit geringem Dreh- moment entsteht eine Relativdrehung der beiden Hohlräder. Zwischen den Hohlrädern können die untersetzte Drehzahl und das hohe Drehmoment abgegriffen werden. Das Flachgetriebe wird häufig bei Nockenwellenantrieben eingesetzt. Wellgetriebe können als elektromechanische Phasenversteller bzw. Nocken- wellenversteller bei 3-Wel lensystemen eingesetzt werden. Dem Wellensystem wird über die Antriebswelle, z.B. Nockenwellen-Kettenrad, die Antriebsleistung zugeführt, welche über die Abtriebswelle, z.B. Nockenwelle, wieder abgegeben wird. Der als Stellglied dienende Phasensteiler ist dabei als Bindeglied zwi- sehen der Antriebswelle und der zu treibenden Welle im Leistungsfluss angeordnet. Dies erlaubt über eine dritte Welle, die Verstellwelle, überlagert zur Antriebsleistung zusätzlich mechanische Leistung in das Wellensystem einzukop- peln oder aus diesem abzuführen. Dadurch kann die von der Antriebswelle vorgegebene Bewegungsfunktion zur Abtriebswelle verändert werden, z.B. kann ein Phasenversatz realisiert werden. Als Aktuatoren in solchen Dreiwellensystemen kommen häufig Elektromotoren zur Verstellung der Verstellwelle zum Einsatz. Es ist aber ebenso möglich, elektrische, mechanische oder hydraulische Bremsen, rotatorisch oder linear wirkende Elektromagnete, Magnetventile oder Linearmotoren bzw. -aktuatoren zu verwenden, um die Phasenver- Stellung zu ermöglichen.

Um die Peripherie bei Steuerungsfehlern der Aktuatorik vor unerwünschten Kollisionen von Bauteilen zu schützen, wird der Verstellbereich bzw. Antriebsbereich in der Regel durch die Begrenzung des Drehwinkels einer der drei Wel- len relativ zu einer zweiten Welle bzw. relativ zum Gehäuse eingeschränkt. Dazu wird ein mechanischer Anschlag als integraler Bestandteil der Vorrichtung verwendet. Der Anschlag kann zwischen Antriebs- und Abtriebswelle, zwischen Antriebs- und Verstellwelle oder zwischen Abtriebs- und Verstellwelle angeord- net sein. Der Anschlag ist im bekannten Stand der Technik in der Regel zwischen Abtriebswelle und Antriebseinheit realisiert. Die Begrenzung des Abtriebswinkels erfolgt im Stand der Technik immer nur einfach zwischen zwei Getriebewellen, nie zweifach, also zwischen Abtrieb und Antrieb sowie zwi- sehen Verstellwelle und Antrieb bzw. zwischen Verstellwelle und Abtrieb.

Des Weiteren können Wellgetriebe auch in 2-Wellen-Anordnungen eines 3- Wellengetriebes in Versteilantrieben eingesetzt werden. Hier werden sie vorrangig als Untersetzungsvorrichtungen für Stellantriebe im Automotivebereich sowie in Industrieanwendungen verwendet. Untersetzungsvorrichtungen dienen dazu, eine mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Last eingespeiste Antriebsleistung eines Stellers in eine Abtriebsleistung mit geringer Geschwindigkeit und hoher Last zu wandeln. Es wird nur Leistung zwischen Verstellwelle und Abtriebswelle übertragen. Die dritte Welle des Getriebes ist gehäusefest. Der Winkel der Abtriebswelle kann dabei mehr als 360° betragen.

Um bei Steuerungsfehlern der Aktuatorik die Peripherie vor Kollisionen von Bauteilen zu schützen, kann wiederum der Abtriebsdrehwinkel durch eine mechanische Begrenzung eingeschränkt werden. Der Anschlag kann hierbei zwi- sehen Verstell- und Abtriebswelle, zwischen Abtriebswelle und Gehäuse oder zwischen Verstell- bzw. Antriebswelle und Gehäuse ausgebildet sein. Der Anschlag ist üblicherweise zwischen Abtriebswelle und Gehäuse realisiert. Es können auch ausschließlich oder zusätzlich steuerungsseitige Begrenzungen des Verstellweges vorgenommen werden. Hierbei wird der Weg der Abtriebs- welle primär durch den von der Steuerung definierten Stellweg der Antriebsbzw. Verstellwelle vorgegeben. Der Anschlag dient dann lediglich zur Absicherung von Fail-Safe-Zuständen.

Wie eben beschrieben, erfolgt die Verstellbereichsbegrenzung meist zwischen An- und Abtriebswelle bzw. zwischen Abtriebswelle und dem Gehäuse der Vorrichtung. Die nicht unmittelbar im Verstellwinkel bzw. Antriebswinkel begrenzte Verstellwelle wird über die Getriebekinematik und die Steifigkeit der Getriebeglieder abgebremst, sobald die Abtriebsseite die Grenze des Drehwinkels er- reicht. Im Stand der Technik sind keine Maßnahmen definiert, die beim Erreichen des Anschlages im Stellglied auftretende Impulslasten in der Wirkung dämpfen. In Folge hoher Lasten können sich Getriebeglieder so stark verformen, dass sie untereinander kollidieren und das Stellglied zum Verklemmen bringen. Ferner können Getriebeteile frühzeitig ermüden bzw. müssen für den Normalbetrieb überdimensioniert werden um auch die hohen Lasten im ungebremsten Anschlag zu ertragen. Dieser Zustand kann auch auftreten, wenn außerhalb eines evtl. vorhandenen Anschlages der Steller abrupt durch die Steuerung oder aufgrund einer Kollision (Anschlag außerhalb des Systems) abgebremst wird.

Wie bereits beschrieben, basiert das Prinzip des Wellgetriebes auf einem dünnwandigen flexiblen Stirnrad, welches durch den Wellgenerator umlaufend ovalisiert werden kann. Die beim Wellgetriebe am flexiblen Stirnrad infolge der Betriebs- bzw. Impulslast resultierenden Zahnkräfte bewirken neben dem Querschub in den Zähnen auch eine auf die Elastizität des Stirnrades zurückzuführende, unerwünschte Verdrillung des Stirnrads. Diese Verdrillung vereinfacht das Ausweichen der korrespondierenden Zähne und damit das Klemmen bzw. Überschnappen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Wellgetriebe zur Verfügung zu stellen, mit welchem die unter Last auftretenden Verdrillungen des flexiblen Stirnrades verhindert bzw. minimiert werden, wodurch Abweichungen im Zahnkontakt verhindert bzw. minimiert werden, wo- durch die Getriebeteile vor Überlasten besser geschützt werden, und ein Klemmen bzw. eine Beschädigung der Getriebeteile weitestgehend verhindert werden.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Wellgetriebe gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Wellgetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass das Stirnrad beidseitig durch jeweils einen Deckel axial abgestützt ist. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wellgetriebes besteht darin, dass durch die zusätzliche axiale Abstützung des Stirnrades eine bei Belastung ggf. auftretende Verdrillung des Stirnrades vermieden bzw. minimiert werden kann. Durch Betriebsspiele auftretende Verkippungen des Stirnrades bzw. des gesamten Wellgenerators können durch die enge seitliche Führung des Stirnrades eingeschränkt werden. Hierdurch kann eine hohe Drehsteife erreicht werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens einer der Deckel eintei- lig mit dem Hohlrad ausgeführt. Dies hat fertigungs- und montagetechnische Vorteile, da weniger Bauteile zum Einsatz kommen. Der andere Deckel kann ebenfalls Bestandteil des Hohlrads sein. Alternativ kann ein Deckel als separates Bauteil oder beide Deckel als separate Bauteile ausgeführt sein. Die innere Kontaktfläche des Deckels zum Stirnrad kann am Umfang Unterbrechungen aufweisen. Zum Beispiel können ausgeformte Verrippungen oder Aussparungen vorhanden sein. Hierdurch kann das Gewicht des Deckels reduziert werden, außerdem wird die Schmier- bzw. Kühlmittelzu- und -abfuhr erleichtert. Weiterhin können ein oder beide Deckel laminar aus mehreren Teildeckeln aufgebaut sein um eine Funktionstrennung zu erzielen. Beispielsweise kann ein dünnerer innerer Teildeckel, z. B. aus Stahl oder Sinterstahl, zum Verschleißschutz und ein äußerer Teildeckel aus weicherem Material, z. B. Aluminium oder Kunststoff, verwendet werden. Die Teildeckel können untereinander zu- sätzlich stoffschlüssig z.B. durch Schweißen oder stoff-/formschlüssig z. B. durch Stanzpacketieren verbunden sein.

Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform beträgt das axiale Führungsspiel des Stirnrades zwischen den Deckeln weniger als 2 mm. Noch günstiger sind Ausführungen mit einem Führungsspiel von weniger als 1 ,5 mm. Als besonders vorteilhaft haben sich Ausführungsformen mit einem Führungsspiel von weniger als 1 mm erwiesen. Zur Einhaltung des geforderten Führungsspiels sind die Fertigungstoleranzen und die Toleranzketten entsprechend zu beschränken. Das Führungsspiel kann durch die nachfolgend beschriebenen, zusätzlichen Maßnahmen positiv, im Sinne einer Minimierung unterstützt werden. So hat sich die Verwendung von Einlegescheiben zwischen den Deckeln und dem Hohlrad als zweckmäßig erwiesen. Hierbei können Einlegescheiben mit unterschiedlicher Dicke verwendet werden, wobei je nach ermitteltem Axialspiel die entsprechenden Einlegescheiben ausgewählt werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mindestens einer der beiden Deckel an seiner zum Stirnrad zugewandten Seite einen Absatz oder Ausbuchtungen aufweist. Die Ausbuchtungen können hierbei beispielsweise kreis-, ring- oder stabförmig sein. Der Absatz bzw. die Ausbuchtung taucht in die Innenverzahnung des Hohlrads ein und kann der Tiefe des Absatzes bzw. der Ausbuchtung entsprechend Spiel ausgleichen.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform besitzen die Deckel eine Wandstärke von mindestens 0,7 mm. Mit derart ausgeführten Deckeln kann die zur AbStützung des Stirnrads erforderliche axiale Drucksteifigkeit realisiert werden. In diesem Sinne hat sich auch die Verwendung zusätzlicher Verrippungen an den Deckeln als günstig erwiesen. Alternativ können auch andere, zusätzliche radiale und axiale Versteifungen angebracht werden. Möglich ist beispielsweise die Anbringung von Kragen am Innen- und/oder Außendurchmesser der Deckel. Des Weiteren können die Deckel zum Erzielen der benötigten axialen Drucksteifigkeit als paketierte Deckel, bestehend aus mehreren Blechlagen gefertigt werden. Hierbei können einzelne Blechlagen Ausnehmungen zur Gewichtsreduzierung aufweisen. Durch die Ausnehmungen wird auch die Schmiermittelbzw. Kühlmittelführung erleichtert. Die Bleche sind entweder lose oder mitein- ander verbunden. Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform besitzen die Deckel lokale Werkstoffverdichtungen bzw. Werkstoffverfestigungen. Auf diese Weise kann ebenfalls die axiale Drucksteifigkeit positiv beeinflusst werden. Von Vorteil ist es, wenn bei einer vorteilhaften Ausführungsform das Stirnrad eine Breite von > 5 mm besitzt. Als noch günstiger hat sich eine Breite des Stirnrades von mehr als 8 mm erwiesen. Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das Stirnrad mehr als 10 mm breit ist. Durch diese Stirnradbreiten kann ein Verdrillen des Stirnrades innerhalb des Verzahnungs- spieles im Bereich des Zahneingriffs zusätzlich erschwert werden.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 : einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Wellgetriebes in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2: einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Wellgetriebes in einer zweiten Ausführungsform; Fig. 3: einen Deckel mit einem Absatz;

Fig. 4: einen Deckel mit einem Kragen am Innendurchmesser;

Fig. 5: Schnittansichten von mehreren Deckeln in verschiedenen Ausführungen.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Wellgetriebes in einer ersten Ausführungsform. Das Wellgetriebe umfasst ein mit einer Antriebseinheit 01 in Verbindung stehendes erstes Holrad 02 mit einer Innenverzahnung sowie ein mit einer Abtriebseinheit 03 verbundenes zweites Hohlrad 04 mit einer Innenverzahnung. Erstes und zweites Holrad 02, 04 sind nebeneinander angeordnet. Beim gewählten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine 3- Wellen-Anordnung. 2-Wellen-Anordnungen sind natürlich ebenfalls möglich. Bei 2-Wellen-Anordnungen ist das erste Hohlrad 02 gehäusefest angeordnet. Ein flexibles Stirnrad 06 mit einer Außenverzahnung befindet sich innerhalb der Hohlräder 02, 04.

Innerhalb des Stirnrads 06 ist ein Wellgenerator 07 angeordnet. Der Wellgenerator 07 umfasst bei der hier dargestellten Ausführung einen Ring mit elliptischem Außenumfang und ein auf dem Außenumfang angebrachtes elliptisch verformtes Wälzlager 08. Anstelle eines Wälzlagers kann auch ein Gleitlager verwendet werden. Mittels Wellgenerator 07 wird das flexible Stirnrad 06 in Radialrichtung gebogen. Das elliptisch verformte Stirnrad 06 greift mit seiner Außenverzahnung in den Bereichen der zwei Schnittpunkte des Ellipsenum- fangs mit der Hauptachse der Ellipse in die Innenverzahnungen des ersten und zweiten Hohlrads 02, 04 ein, wodurch eine drehmomentübertragende Verbin- dung hergestellt wird.

Das Stirnrad 06 sollte vorzugsweise eine Breite von mehr als 5 mm aufweisen. Noch günstiger ist eine Stirnradbreite von mehr als 8 mm. Besonders bevorzugt sind Stirnrad breiten von mehr als 10 mm. Mit derart ausgeführten Stirnrädern 06 kann ein Verdrillen des Stirnrades 06 innerhalb des Verzahnungsspiels im Bereich des Zahneingriffs erschwert werden.

Das Stirnrad 06 befindet sich zwischen einem ersten und einem zweiten Deckel 09, 10. Die Deckel 09, 10 dienen zur axialen Abstützung des Stirnrads 06. Die Deckel 09, 10 können als separate Bauteile ausgeführt sein oder Bestandteil der Getriebeglieder sein. Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist der erste Deckel 09 als separates Bauteil ausgeführt. Der zweite Deckel 10 ist Bestandteil des zweiten Hohlrads 04. Das gesamte axiale Führungsspiel des Stirnrads 06 zwischen den Deckeln 09, 10 soll vorzugsweise kleiner als 2 mm sein. Als noch günstiger hat sich ein axiales Führungsspiel von weniger als 1 ,5 mm erwiesen. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen beträgt das axiale Führungsspiel weniger als 1 mm. Zur Einhaltung des vorgegebenen axialen Führungsspiels ist ein besonderes Augenmerk auf die Minimierung von Fertigungstoleranzen zu richten.

Darüber hinaus haben sich in diesem Zusammenhang verschiedene Maßnah- men als sinnvoll herausgestellt. So können beispielsweise zwischen den Deckeln 09, 10 dünne Einlegescheiben angeordnet werden. Die Verwendung eines Satzes mit unterschiedlich dicken Einlegescheiben ist besonders zweckmäßig. Somit können je nach dem, welches axiale Führungsspiel ermittelt wurde, entsprechend dicke Scheiben ausgewählt werden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist eine andere Möglichkeit zur Einhaltung des axialen Führungsspiels gezeigt. Hier ist im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die Innenseite des ersten Deckels 09 nicht plan ausgeführt, sondern mit einem Absatz 12 versehen. Eine Detaildarstellung des derart ausgeführten ersten Deckels 09 kann Fig. 3 entnommen werden. Der Absatz 12 des ersten Deckels 09 taucht in die Innenverzahnung des ersten Hohlrads 02 ein. Hierdurch kann der Tiefe des Absatzes 12 entsprechend Führungsspiel ausgeglichen werden. Statt eines Absatzes 12 kann der erste Deckel 09 auch mit partiellen Einbuchtungen versehen werden. Diese Einbuch- tungen können beispielsweise kreis-, ring- oder stabförmig sein.

Infolge der seitlichen Abstützung des Stirnrades an den beiden Deckeln 09, 10 sind erhöhte Anforderungen an die axiale Drucksteifigkeit der Deckel 09, 10 zu stellen. So sollte die Wandstärke beider Deckel 10 vorzugsweise mindestens 0,7 mm betragen. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls günstig, zusätzliche Verrippungen oder sonstige radiale und axiale Versteifungen an den Deckeln 09, 10 anzubringen. So können zum Beispiel am Innen- und/oder Außendurchmesser der Deckel 09 Kragen angebracht werden. Fig. 4 zeigt einen Deckel 09, 10 mit einem Kragen 13 am Innendurchmesser. Weiterhin können die Deckel 09, 10 als paketierte Deckel mit mehreren Blechlagen ausgeführt sein. Die einzelnen Bleche sind entweder untereinander lose oder miteinander verbunden. Die Deckel 09, 10 können zum Erzielen einer erhöhten axialen Druck- festigkeit auch lokale Werkstoffverdichtungen und / oder Werkstoffverfestigungen aufweisen.

Fig. 5 zeigt Deckel in verschiedenen Ausführungen, jeweils in Schnittansicht. Bei der in Fig. 5a gezeigten Ausführung sind in den Deckel mehrere Aussparungen 14 eingebracht, welche zur Gewichtserleichterung und/oder Schmiermittel- bzw. Kühlmittelzuführung dienen. Bei der Ausführung nach Fig. 5b besteht der Deckel aus einem dünneren inneren durchgehärteten Teildeckel 15 und einem äußeren Teildeckel 16 aus einem weicheren Material. Der innere Teilde- ekel 15 kann beispielsweise aus Stahl bestehen. Der äußere Teildeckel 16 wird beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff gefertigt. Bei dem in Fig. 5c gezeigten Deckel sind die in Fig. 5a und 5b gezeigten Ausführungen miteinander kombiniert. Die Aussparungen 14 sind im dickeren äußeren Teildeckel 16 angeordnet. Der in Fig. 5d gezeigte Deckel besteht aus mehreren Blechlagen 17, in welche teilweise Aussparungen 14 eingebracht sind. Durch die Aussparungen 14 kann das Gewicht des Deckels reduziert werden. Außerdem werden die Schmiermittel- bzw. Kühlmittelzuführung erleichtert.

Bezugzeichenliste - Antriebseinheit

- erstes Holrad

- Abtriebseinheit

- zweites Holrad

- -- Stirnrad

- Wellgenerator

- Wälzlager

- erster Deckel

- zweiter Deckel

- -- Absatz

- Kragen

- Aussparungen

- innerer Teildeckel

- äußerer Teildeckel

- Blechlagen