Wellgetriebe mit steifigkeitsoptimiertem Wellgenerator Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung einen Wellgenerator, der sich für den Einsatz in einem solchen Wellgetriebe eignet.

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 desselben, 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 Außenzahnrad 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 kommen 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 Zahn- rad aufweist. Bei schneller Drehung des Wellgenerators mit geringem Drehmoment 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-Wellensystemen 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 Phasensteller ist dabei als Bindeglied zwischen 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, Magnet- ventile oder Linearmotoren bzw. -aktuatoren zu verwenden, um die Phasenverstellung zu ermöglichen.

Um die Peripherie bei Steuerungsfehlern der Aktuatorik vor unerwünschten Kollisionen von Bauteilen zu schützen, wird der Verstellbereich bzw. Antriebs- bereich in der Regel durch die Begrenzung des Drehwinkels einer der drei Wellen 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 angeordnet 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 zwischen Verstellwelle und Antrieb bzw. zwischen Verstellwelle und Abtrieb.

Des Weiteren können Wellgetriebe auch in 2-Wellen-Anordnungen eines 3- Wellengetriebes in VerStellantrieben eingesetzt werden. Hier werden sie vor- rangig 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 me- chanische Begrenzung eingeschränkt werden. Der Anschlag kann hierbei zwischen 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 Abtriebswelle 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 Getriebe- glieder abgebremst, sobald die Abtriebsseite die Grenze des Drehwinkels erreicht. 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 verfor- men, 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. Diese Flexibilität des Stirnrades führt aber auch dazu, dass es unter Last sowohl radial als auch axial und tangential im Zahnkontakt ausweichen kann. Sobald die Verformung bzw. Verlagerung des Stirnrades von der Getriebekinematik abweicht, können Eingriffsstörungen und Kollisionen zwischen den Getriebeteilen und Verzahnungen auftreten. Mit den bislang beim Wellgenerator üblicherweise verwendeten einreihigen Lagern kann ein radiales Ausweichen unter Last nicht verhindert werden, da der Außenring beim Einlaufen einer Wälzkörperlücke in die Lastzone nachgibt. Analog dem Außenring verformt sich auch das flexible Stirnrad. Daraus ergibt sich eine ungünstigere Pressungsverteilung im Zahnkontakt. Bei axial unsymmetrischem Lasteintrag kann das Stirnrad dadurch am Umfang stärker zwischen den belasteten und unbelasteten Sektoren verdrillt werden. Außerdem kann wegen der unzureichenden Abstützung in der Verzahnung das Wellgetriebe eher überlastet werden, wodurch es zum Klemmen bzw. Überschnappen kommen kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes Wellgetriebe zur Verfügung zu stellen, mit welchem die unter Last auftretenden radialen Abweichungen im Zahnkontakt verhindert bzw. minimiert werden, wodurch die Getriebeteile vor Überlasten besser geschützt werden und ein Klem- men bzw. eine Beschädigung der Getriebeteile weitestgehend verhindert werden. Hierdurch soll gleichzeitig auch eine bessere Ertragbarkeit der Impulslast beim Auftreffen im Endanschlag erreicht werden. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient ein Wellgetriebe gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Wellgetriebe zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Außenring und dem Innenring des Wellgenerators zwei Reihen von Wälzkörpern angeordnet sind. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wellgetriebes besteht darin, dass sich durch die Verwendung eines zweireihigen Lagers die Steifigkeit erhöht. Bei zweireihigen Lagern ist das flexible Stirnrad besser abgestützt als bei den bislang verwendeten einreihigen Lagern. Mit einem zweireihigen Lager ist die Verformung beim Einlaufen einer Wälzkörperlücke in die Lastzone geringer, wodurch die Verzahnung besser abgestützt ist und das Getriebe weniger belastet wird. Hierdurch kann ein Verklemmen und eine dadurch hervorgerufene Beschädigung von Getriebeteilen weitestgehend verhindert werden.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform werden als Wälzkörper Nadeln oder Rollen eingesetzt. Nadeln oder Rollen sorgen für eine besonders gute AbStützung der Verzahnung, wodurch eine weitere Verbesserung im Sinne des Überlastschutzes des Wellgetriebes erreicht wird. Natürlich können auch Kugeln als Wälzkörper eingesetzt werden. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Wälzkörper zueinander versetzt angeordnet sind. Durch diese versetzte Anordnung der Wälzkörper ist der Zahneingriff hier nahezu immer radial durch Wälzkörper direkt abgestützt. Damit ergibt sich ein kurzer, steifer Biegebalken. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Wälzkörper in einem Wälzkörperkäfig angeordnet. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Wälzkörperkäfigs, beispielsweise als Schnappkäfig, soll ein Kontakt der Wälzkörper untereinander vermieden werden. Hierdurch werden u. a. Reibungsverluste vermieden.

Des Weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Wälzkörper in axialer Richtung einander überlappen. Die zwei Wälzkörperreihen sind hierbei axial 1 % bis 99% ihres Kugeldurchmessers überlappend angeordnet. Daraus resultiert eine über den Umfang nahezu homogene Steifigkeits Verteilung. Die Kugellücken der einen Kugelreihe werden durch die Kugeln der zweiten Reihe je nach Überlappung teilweise ausgefüllt. Damit wird der Außenring im Bereich der Kugellücken gestützt, so dass sich eine geringere Durchbiegung ergibt.

Bei einer weiteren günstigen Ausführungsform wird eine ungerade Anzahl von Wälzkörpern verwendet. Hierdurch kann ein durch die Drehung der Verstellwelle hervorgerufener Steifigkeitssprung reduziert werden. Bei gerader Wälzkör- peranzahl ist die Verzahnung radial entweder durch beide gegenüberliegende Wälzkörper sehr steif abgestützt, nach einer Drehung der Verstellwelle um ^Λ Α Kugelteilung ist die Verzahnung dagegen nur noch durch beide Lücken radial weich abgestützt. Von Vorteil ist es, ein Wälzlager mit einem reduzierten Wälzkörperabstand, bei dem eine höhere Wälzkörperanzahl bei kleinerer Wälzkörpergröße verwendet wird, einzusetzen. Hierbei hat sich eine Wälzkörperanzahl von >=17 als zweckmäßig erwiesen. Besonders bevorzugte Ausführungen verwenden >=21 Wälzkörper. Durch die Verwendung vieler, kleiner Wälzkörper kann eine be- sonders gute Abstützung erreicht werden, da die Lücken zwischen den einzelnen Wälzkörpern minimiert werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die elastische radiale Durchbiegung von Stirnrad und Außenring zwischen zwei Wälzkörpern maximal 0,3 X m beträgt, wobei m für das Normalmodul der Verzahnung steht. Dadurch kann eine insgesamt gute Abstützung, auch in den Lücken zwischen den einzelnen Wälzkörpern, gewährleistet werden. Dieser Ansatz soll für die radiale Steifigkeit über den Umfang und über die Breite des Lagers gelten. Hierbei ist die elastische Durchbiegung definiert als maximale Radiallast aus der Verzahnung, angenommen als Punktlast in der Mitte zwischen zwei Wälzkörpern

Gesamtbiegesteife des Biegebalkens zwischen zwei Wälzkörpern, zusammengesetzt aus Steife des Außenringes und Steife des Stirnrades (Dämpfungsverluste zwischen beiden Ringen vernachlässigt) cges =— -(EAR ^' ^AR + ESR/^SR)

S

mit

s - Sehnenlänge zwischen zwei Wälzkörpern (vereinfachte Annahme als gerader Biegebalken)

E _A R - E-Modul Aussenring

E _S R - E-Modul Stirnrad

ly _A R - Flächenmoment des AR um die Biegeachse (vereinfachte Annahme als Rechteckquerschnitt)

lysR - Flächenmoment des Stirnrades um die Biegeachse (vereinfachte Annahme als Rechteckquerschnitt)

s = 2 X r X sin(Y/2)

mit

r - Radius des Wälzkörperteilkreises

γ - Wälzkörperteilungswinkel Gamma

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Wellgetriebe als 3- Wellen-Verstellgetriebe zur Verstellung und Fixierung der Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber einer Kurbelwelle eingesetzt. Das Wellgetriebe kann jedoch auch in Untersetzungsvorrichtungen für Stellantriebe verwendet werden. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient auch ein Wellgetriebe nach Anspruch 9. Bei dem hier beanspruchten Wellgetriebe kommt beim Wellgenerator statt eines Wälzlagers eine spielarme Gleitlagerung zum Einsatz. Durch die Gleitlagerung kann ebenfalls eine gute Abstützung der Verzahnung sichergestellt werden. Hierdurch kann die mögliche Gefahr eines Verklemmens bzw. einer Beschädigung von Getriebeteilen minimiert 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 Teilbereich eines Wellgenerators nach dem Stand der Technik;

Fig. 2: einen Längsschnitt durch einen Wellgenerator nach dem Stand der Technik im Vergleich zu einem beim erfindungsgemäßen Wellgetriebe verwendeten Wellgenerator;

Fig. 3: einen Längsschnitt durch einen beim erfindungsgemäßen Wellgetriebe verwendeten Wellgenerator mit zueinander versetzt angeordneten Wälzkörpern; Fig. 4: eine Darstellung des Steifigkeitsverlaufs der erfindungsgemäß optimierten Lösung im Vergleich zum Stand der Technik;

Fig. 5: einen Längsschnitt durch den beim erfindungsgemäßen Wellgetriebe verwendeten Wellgenerator mit axial überlappend angeordneten Wälzkörpern.

Fig. 1 zeigt einen Teilbereich eines Wellgenerators nach dem Stand der Technik. Im Stand der Technik werden beim Wellgenerator üblicherweise einreihige Wälzlager mit einem Außenring 01 , einem Innenring 02 und einer zwischen Außenring 01 und Innenring 02 angeordneten Reihe von Wälzkörpern 03 ver- wendet. Auf den Wellgenerator wirkt eine Radialkraftkomponente 04 aus der Verzahnung. In der linken Abbildung befindet sich ein Wälzkörper 03 direkt unterhalb des Zahneingriffs. Hierdurch ist eine steife radiale Abstützung eines flexiblen Stirnrads eines Wellengetriebes gewährleistet. In der rechten Abbildung ist eine zwischen zwei Wälzkörpern 03 befindliche Lücke 05 unterhalb des Zahneingriffs angeordnet. Hierdurch kann nur noch eine weiche radiale Abstützung realisiert werden. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass der Außenring 01 beim Einlaufen einer Lücke 05 in die Lastzone nachgibt (gestrichelte Linie). Das flexible Stirnrad verformt sich in gleicher Weise wie der Außenring 01.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wellgenerator nach dem Stand der Technik (linke Abbildung) im Vergleich zu einem beim erfindungsgemäßen Wellgetriebe verwendeten Wellgenerator (rechte Abbildung). Dargestellt ist die radiale Abstützung über die Zahnbreite. In der Lastzone selbst ist über die Zahnbreite eine Änderung der radialen Einspannung zu beobachten. Wie links dargestellt, kann bei einem einreihigen Lager der Außenring 01 unter Wirkung der Radialkraftkomponente 04 ausweichen (gestrichelte Linie), woraus eine ungünstigere Pressungsverteilung im Zahnkontakt folgt. Bei axial unsymmetrischem Lasteintrag kann das flexible Stirnrad dadurch am Umfang stärker zwi- sehen den belasteten und unbelasteten Sektoren verdrillt werden. Aufgrund der schlechteren Abstützung in der Verzahnung kann das Wellgetriebe eher überlastet werden und klemmen oder überschnappen. Der rechten Abbildung kann entnommen werden, dass bei Verwendung eines zweireihigen Lagers die Verformung des Außenrings 01 (gestrichelte Linie) wesentlich geringer ist. Das flexible Stirnrad wird somit besser abgestützt, die Gefahr von Getriebeüberlastungen und damit ggf. hervorgerufenen Verklemmungen und Beschädigungen von Getriebeteilen kann deutlich verringert werden.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen beim erfindungsgemäßen Wellge- triebe verwendeten Wellgenerator mit zueinander versetzt angeordneten Wälzkörpern. Bei dieser Ausführungsform ist der Zahneingriff im Wesentlichen immer durch Wälzkörper 03 direkt abgestützt. Es liegt somit stets eine steife radiale Abstützung vor. Fig. 4 zeigt eine Darstellung des Steifigkeitsverlaufs der erfindungsgemäß optimierten Lösung im Vergleich zum Stand der Technik. Die gestrichelte Kurve stellt den Steifigkeitsverlauf der Lagerung beim Stand der Technik dar. Der durchgezogenen Kurve kann der Steifigkeitsverlauf der beim erfindungsgemäßen Wellgetriebe verwendeten Lagerung entnommen werden. Die Kurven erreichen in den Punkten A, in denen sich ein Wälzkörper in der Lastzone befindet eine Maximum und in den Punkten B in denen sich eine Wälzkörperlücke in der Lastzone befindet ein Minimum. Der Darstellung kann entnommen werden, dass eine Lagerung beim Stand der Technik (gestrichelte Kurve) größere Stei- figkeitsschwankungen aufweist als die erfindungsgemäß optimierte Lösung.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch den beim erfindungsgemäßen Wellgetriebe verwendeten Wellgenerator mit axial überlappend angeordneten Wälzkör- pern. Die Kugelspuren der beiden Wälzkörperreihen weisen eine axiale Überlappung b auf. Außerdem sind die Wälzkörper 03 in Umfangsrichtung um einen Kugelversatz a zueinander versetzt angeordnet.

Bezugzeichenliste

01 - Außenring

02 - Innenring

03 - Wälzkörper

04 - Radialkraftkomponente

05 - Lücke a Kugelversatz in Umfangsrichtung b axiale Überlappung der Kugelspuren