谐波驱动装置和用于生产谐波驱动装置的方法

技术领域

本发明涉及一种谐波驱动装置，该谐波驱动装置特别适合用作根据权利要求1的前序部分的机电凸轮轴调节器中的调节齿轮。本发明进一步涉及一种用于生产这种谐波驱动装置的方法。

背景技术

例如从DE 10 2016 218 575 A1已知一般性谐波驱动装置。谐波驱动装置具有为套环套筒形式的柔性外齿传动元件。套环套筒具有设置有外齿的圆柱形区段。从圆柱形区段开始，凸缘径向向外指向，其也称为套环。套环借由螺纹连接连接到谐波驱动装置的壳体。壳体可整体旋转，并表示谐波驱动装置的驱动元件。输出元件设计为可旋转地安装在壳体中的环形齿轮，并且具有内齿，该内齿与柔性传动元件的外齿部分地啮合。

在DE 10 2017 126 527 A1中公开了另一种谐波驱动装置，该谐波驱动装置具有设计为套环套筒的柔性传动元件。在这种情况下，与DE 10 2016 218 575 A1相比，设计为环形齿轮的输出元件也设计为柔性传动元件。

DE 10 2017 114 175 B3和DE 10 2017 103 988 B3中描述了具有改进形式的套环套筒的谐波驱动装置。在这些情况下，凸缘(其不一定形成完整的环形圆盘形)也从柔性传动元件的外齿圆柱形区段径向向外指向。在这两种情况下，具有环形圆盘的基本形状的凸缘(即，套环)后面紧跟着某一区段，该区段同心地包围外齿区段并且以旋转固定的方式连接到驱动元件。

文献DE 10 2016 205 748 B3、DE 10 2017 121 320 B3和DE 10 2016 204 784A1示出了谐波驱动装置的不同设计，每个谐波驱动装置与罐形柔性传动元件一起作用。在所有情况下，罐形柔性传动元件永久地连接到谐波驱动装置的输出轴。

具有套环形(即，帽形)传动元件的谐波驱动装置以及具有罐形弹性传动元件的谐波驱动装置的共同特征在于，柔性传动元件的齿仅与另一个单独的、通常为刚性的传动元件的齿接合。这是与谐波驱动装置的根本区别，谐波驱动装置具有柔性环作为弹性传动元件：柔性环的齿同时与驱动侧环形齿轮的齿以及与输出侧环形齿轮的齿啮合。在这种背景下，参考DE 10 2014 202 060 A1作为实例。柔性环一般被理解为是指齿形、环形、弹性的弹性传动元件，其不具有径向向内或向外指向的例如为底部或凸缘形式的延伸部。

发明内容

本发明的目的是公开一种与现有技术相比已进一步发展的谐波驱动装置，其特征在于可传递扭矩与所需安装空间之间的特别有利的比率，同时提供了一种易于生产的结构。

根据本发明，这一目的借由具有权利要求1的特征的谐波驱动装置来实现。该目的还借由根据权利要求9所述的用于生产谐波驱动装置的方法来实现。下文结合该生产方法所阐明的本发明的构型和优点也类似地适用于所述设备(即，谐波驱动装置)，反之亦然。

在本身已知的基本概念中，谐波驱动装置包括：驱动元件；柔性传动元件，该柔性传动元件具有外齿，连接到驱动元件；以及输出元件，该输出元件设计为环形齿轮，该环形齿轮具有与柔性传动元件的外齿部分地啮合的内齿。

根据本发明，柔性传动元件为罐形，其中该柔性传动元件以适合于传递扭矩的方式在其外齿径向内侧联接到驱动元件。

柔性传动元件的罐形设计意味着径向向内指向的区段从柔性传动元件的设置有外齿的套筒形区段延伸并且称为罐形传动元件的底部。底部具有环形圆盘形基本形状，并且不封闭。柔性传动元件不存在从外齿区段径向向外指向的区段。这意味着柔性传动元件的外圆周表面由其外齿形成。与具有设计为套环套筒的柔性传动元件的传统传动装置相比，可选择柔性传动元件的特别大的齿直径，这意味着相对于所需的安装空间具有特别高的可传递扭矩。

根据本发明的谐波驱动装置与具有罐形弹性传动元件的传统谐波驱动装置的根本区别在于，柔性罐形传动元件不可旋转地保持在谐波驱动装置的驱动元件上而不是输出元件上。罐形柔性传动元件在驱动元件上的保持可能受到游隙的影响。此处，驱动元件和柔性罐形传动元件之间的游隙优选地在所提及元件的圆周方向上比在另一方向上(即在轴向方向和径向方向上)更小。

在优选实施例中，在驱动元件和柔性罐形传动元件之间存在形状配合联接件，其中开口位于柔性传动元件的底部，其中驱动元件的形状配合元件(特别是以销或旋钮的形式)接合。在特别优选的实施例中，柔性传动元件底部的开口在该传动元件的两个圆周方向上借由从柔性传动元件的底部弯出的接触侧翼来界定。也可以实施其中驱动元件侧的形状配合元件和柔性传动元件侧的形状配合元件以相同方式设计，例如设计为齿的实施例。

通过接触侧翼(即，从柔性罐形传动元件的底部弯出的凸耳)设置有滑动表面，该滑动表面用于在驱动元件和柔性传动元件之间传递扭矩并且将所提及的两个元件彼此联接，同时在圆周方向上几乎没有游隙，其中保持两个元件之间的移动性，特别是在其轴向方向上。以这种方式，在谐波驱动装置的操作期间，柔性传动元件的套筒形外齿区段的被迫变形可被该传动元件的同样弹性底部吸收，其中柔性传动元件在驱动元件上的齿隙连接显著有助于在很大程度上避免了扭矩不规性(所谓的波动)的事实。谐波驱动装置的可控性和弹性传动元件的耐久性也得益于避免了扭矩不规则性。

借由非切割工艺，可有效地生产开口和接触侧翼。以相同的方式，可在罐形传动元件的套筒形区段的内圆周表面中生成止动轮廓，该止动轮廓固定波发生器，该波发生器经设置用于使柔性传动元件相对于柔性传动元件以及因此相对于驱动元件沿轴向方向变形。以上提及的止动轮廓为例如近似点状凹陷部，其可被视为罐形柔性传动元件的套筒形区段的内圆周表面上的旋钮。凹陷部优选地位于套筒形区段的无外齿的区域中，也就是说，除了凹陷部之外，套筒形区段还具有平滑的外圆周表面。

在与柔性传动元件的底部相反的轴向方向上，波发生器优选地借由设计为环形齿轮的输出元件来直接固定。环形齿轮本身相对于驱动元件沿此方向固定，例如借由接合在驱动元件内圆周表面上的凹槽中的锁环来固定。

由驱动元件和输出元件之间的最大旋转角确定谐波驱动装置的调节范围。优选地，由驱动元件和输出元件的轮廓直接形成旋转角限制。

根据第一可能的变型，由驱动元件的止动段和输出元件的环形圆周端面带条中的凹部形成旋转角限制。

根据第二可能的变型，由驱动元件中的开口和接合在开口中的输出元件的止动段形成旋转角限制。

无论旋转角限制的类型如何，谐波驱动装置都可按如下方式生产：

提供罐形驱动元件，其设计为皮带传动，特别是链传动的传动元件，其中在驱动元件的底部上形成第一类型的形状配合元件，

提供柔性罐形外齿传动元件，其中在该传动元件的底部上形成第二类型的形状配合元件，

提供设计成使柔性传动元件变形的波发生器，其特别包括作为滚动轴承的滚珠轴承，

提供设计为环形齿轮的内齿输出元件，其经设置用于与待调节轴的不可旋转的连接，

将波发生器插入柔性传动元件中，

将由波发生器和柔性传动元件形成的组件插入输出元件，即所谓的调节轴中，

将驱动元件滑动到输出元件上，直到在各个形状配合元件之间建立适合传递扭矩的连接，

通过锁环将输出元件相对于驱动元件在轴向方向上固定。

如果谐波驱动装置用于调节凸轮轴，则输出元件必须不可旋转地连接到凸轮轴。谐波驱动装置的与待调节轴(即，凸轮轴)相连的端面称为输出侧端面。输出元件的设计为环形齿轮(即，罐形)的底部位于谐波驱动装置的输出侧端面上。驱动元件的未封闭底部位于谐波驱动装置的与待调节轴相对的端面上。柔性罐形传动元件的底部面向同一端面。这意味着存在两个罐形元件，即驱动元件和柔性传动元件，它们分别向谐波驱动装置的输出侧打开。输出元件接合在这两个罐形元件之间形成的环形腔中，该环形腔大部分或全部位于罐形驱动元件的内部。

在优选实施例中，驱动元件还设计为皮带传动的传动元件，特别是链轮。驱动元件也可为皮带轮或齿轮。原则上，也可将驱动元件连接(例如，拧紧)到单独的链轮、皮带轮或齿轮。在链轮或皮带轮与驱动元件为一体式设计的情况下，则不需要这种螺纹连接。同样，在所描述的设计中，在柔性传动元件和驱动元件之间不设置螺纹连接。原则上，可选择柔性传动元件和驱动元件之间的任何类型的连接，前提是给定所需的扭矩传递能力。除了非正极连接外，特别地还存在材料连接，特别是焊接连接或钎焊连接的形式。

驱动元件(优选链轮的形式)可例如通过粉末冶金来生产，即作为烧结部件来制造。代替粉末冶金工艺或除了这种工艺之外，机加工工艺也适用于生产驱动元件。

在替代实施例中，驱动元件借助于成形来生产。用于制造链轮的制造步骤的示例包括板材成形、冲压和轧制。以本身已知的方式，可借由链轮(即，谐波驱动装置的驱动元件)的热处理来改变表面特性。也可对驱动元件的支承面进行硬加工。

链轮将根据所用链条进行设计，例如齿链或滚子链。如果驱动元件设计为皮带轮，则同样适用。在所有情况下，优选地以在驱动元件和输出元件之间发生尽可能小的倾覆力矩的方式将力从驱动元件引入谐波驱动装置的其他部件中。一般来讲，谐波驱动装置的狭窄设计(即，谐波驱动装置在轴向方向上的较小膨胀)有利于仅以很小的或可忽略的倾覆力矩进行操作。由于倾覆力矩较低，将输出元件保持在驱动元件中的固定元件(尤其是锁环的形式)仅暴露在较低的机械负载下。

与使用柔性环的传统谐波驱动装置相比，根据本发明的谐波驱动装置仅需要单个内齿传动元件。在有利的实施例中，在驱动元件上没有螺钉，该驱动元件同时表示谐波驱动装置的壳体。总而言之，驱动元件为多功能部件。以下是驱动元件的各个功能：

提供用于将扭矩引入驱动元件的轮廓，即，将驱动元件设计为链条或皮带轮或齿轮，

柔性传动元件在驱动元件的底部上的不可旋转的并且优选地同时选择性地受到齿隙影响的保持，即与方向相关的齿隙的连接，

输出元件在驱动元件中的轴向轴承，

输出元件在驱动元件中的径向轴承，

驱动元件和输出元件之间的旋转角限制。

不需要单独的轴向轴承盘来在一个方向上支撑输出环形齿轮。谐波驱动装置只有一对齿的事实有利于提高谐波驱动装置的机械精度。输出环形齿轮在驱动元件中的有游隙的安装与制造驱动元件和输出元件的方法无关。就像驱动元件一样，输出元件也可设计为烧结部件。

根据本发明的谐波驱动装置的运动学与具有套环套筒的传统谐波驱动装置的运动学基本上相同。因此，谐波驱动装置通常设计为正齿轮组。这意味着，当波发生器的调节元件相对于驱动元件在第一方向上旋转时，输出元件相对于驱动元件在相同方向上进行调节。

谐波驱动装置不仅可用作车辆技术中的调节齿轮，还可用于工业应用，例如用于机器人或机床中。

附图说明

下文借助附图更详细地描述了本发明的若干示例性实施例。在附图中：

图1以剖面透视图示出了谐波驱动装置的第一示例性实施例，

图2示出了根据图1所示的谐波驱动装置的设计为链轮的驱动元件，

图3和图4示出了根据图1所示的设计为齿形罐的谐波驱动装置的柔性传动元件，

图5示出了根据图2所示的插入有齿形罐的驱动元件，

图6示出了根据图1所示的谐波驱动装置的输出元件，

图7以剖面透视图示出了根据图2所示的插入有根据图6所示的输出元件以及根据图3所示的齿形罐和相关联的波发生器的链轮，

图8以剖面透视图示出了谐波驱动装置的第二示例性实施例，

图9和图10以分解视图示出了根据图8所示的谐波驱动装置，

图11示出了根据图8所示的谐波驱动装置的详细视图，

图12示出了根据图8所示的插入有输出元件和柔性传动元件的谐波驱动装置的驱动元件(即，链轮)，

图13以剖面透视图示出了根据图12所示的布置的详细区段，

图14示出了根据图12所示的布置的输出元件，

图15示出了根据图14所示的输出元件的详细区段，

图16示出了根据图8所示的谐波驱动装置的驱动元件，

图17示出了根据图16所示的驱动元件的详细区段，

图18示出了根据图16所示的插入有齿形罐的驱动元件，

图19以剖面透视图示出了谐波驱动装置的第三示例性实施例的部件，

图20以另一个剖面透视图示出了根据图19所示的谐波驱动装置，

图21示出了根据图19所示的谐波驱动装置的输出侧透视图。

具体实施方式

除非另有说明，否则以下说明涉及所有示例性实施例。在附图中，彼此对应或具有基本相同效果的部分始终标有相同的附图标记。

设置有谐波驱动装置(其总体上由附图标记1标识)用作内燃机的机电凸轮轴调节器的调节齿轮。谐波驱动装置1为三轴驱动，关于其基本功能，首先参考前面提到的现有技术。

谐波驱动装置1具有驱动元件2，该驱动元件同时表示谐波驱动装置1的壳体。链轮3是驱动元件2的整体部分。在根据图1的示例性实施例中，驱动元件2被制造为烧结部件。在根据图8的示例性实施例中，驱动元件2是经由成形工艺生产的传动元件。

在所有情况下，驱动元件2均由链条(未示出)驱动，其中链条以曲轴速度的一半旋转。设置有可旋转地安装在驱动元件2中的环形齿轮作为谐波驱动装置1的输出元件4。环形齿轮4借助于中心螺钉(未示出)牢固地连接到待调节轴，即内燃机的凸轮轴。谐波驱动装置1的与待调节凸轮轴相连的端面称为输出侧端面S

与输出元件4一样，驱动元件2具有罐的基本形状。圆周表面(其在图1的情况下设计为锥形外圆周表面6)邻接在位于谐波驱动装置1的第一端面S1上的驱动元件2的底部(在所有情况下均用5表示)处。在图8的情况下，底部5由圆柱形外圆周表面7邻接，该圆柱形外圆周表面合并到链轮3中。在图19的情况下，第一锥形外圆周表面6邻接底部5并且一直延伸到链轮3。链轮3的相对端面合并到第二锥形外圆周表面9中，该第二锥形外圆周表面朝向输出侧端面S

在所有情况下，外圆周表面6、7、8、9径向地布置在圆柱形内圆周表面10的外侧，该圆柱形内圆周表面用作相对于输出元件4的径向滑动支承面。输出元件4的相关径向滑动支承面由输出元件4的圆柱形区段11形成。圆柱形区段11借由驱动元件2中的锁环12朝向输出侧端面S

凸轮轴调节器(其与谐波驱动装置1一起作为调节齿轮作用)的调节范围由总体上用18表示的旋转角限制界定。由驱动侧止动轮廓19和输出侧止动轮廓20形成旋转角限制18。驱动侧止动轮廓19直接由驱动元件2形成，而输出侧止动轮廓20直接由输出元件4形成。在根据图1和图19的示例性实施例中，在底部5的内侧上形成止动段21。该止动段21在底部5的圆周方向上延伸小于60°的角，该底部为大体环形圆盘形。止动段21与打开时的调节窗口22(即，输出环形齿轮4的第一端面)配合。调节窗口(通常也称为凹部)在输出元件4的圆柱形区段11的圆周上延伸超过120°的角，从而中断输出元件4的端面杆23。

另一方面，在根据图8的示例性实施例中，驱动元件2具有作为旋转角限制18的一部分而弯曲成圆弧形状的开口24。输出元件4的止动段25接合在开口24中。止动段25在输出环形齿轮4的开口端面上延伸小于45°的角。

在所有示例性实施例中，罐形柔性传动元件26放置在底部5的内侧，如图3和图4所示。罐形传动元件26(即，柔性罐)的底部(其由27表示)具有环形盘的基本形状，该环形圆盘附接到底部5，该底部也为环形圆盘形。底部27的径向外边缘合并到柔性罐26的圆柱形区段28中。在圆柱形区段28的外圆周表面上形成外齿29，该外齿部分地接合在输出环形齿轮4的内齿30中。齿29、30之间的两个直径上相对的接合区域由波发生器31确定。波发生器31包括用32表示的滚珠轴承。滚珠轴承32的内环(用33表示)经由螺栓34不可旋转地联接到电机的电机轴，该电机用于操作谐波驱动装置1，该螺栓将被分配给补偿联接件(未示出)。

以本身已知的方式，内环33的外圆周表面设计为用于球体35(即，滚动元件)的非圆形椭圆滚动元件滚道。将球体35引导在保持架36中并且与外环37接触，与内环33相比，外环具有弹性。柔性罐26的圆柱形区段28直接包围外环37，而不永久地连接到外环。外齿29(一方面)和内齿30(另一方面)的略有不同的齿数确保了内环33相对于驱动元件2的完整旋转仅被转换为驱动元件2和输出元件4之间的轻微枢转。

外环37以及因此整个波发生器31借由几个凹陷部38在轴向方向上相对于柔性传动元件26固定，这些凹陷部可在圆柱形区段28的内圆周表面上以几乎点状旋钮的形式被看到。在相反的轴向方向上，即朝向输出侧端面S

关于柔性传动元件26的细节，下面参考图3和图4，图3和图4涉及所有示例性实施例。柔性传动元件26的底部27具有多个开口39，在示例性实施例中为18个。开口39的圆周边界由接触侧翼40界定，该接触侧翼也简称为凸耳，并且由从底部27弯出的材料形成。每个开口39径向向内合并到内加宽部分41中。每个开口39径向向外合并到外加宽部分42中。与由凸耳40界定的中心区段相比，在每种情况下，加宽都与环形圆盘形底部27的圆周方向有关。因此，总体而言，当从端面观察时，每个开口39具有双T形的基本形状。在传动元件26的径向方向上，外加宽部分42比内加宽部分41更宽。这导致了双T形的不对称性。总体而言，每个开口37几乎在沿环形圆盘形底部27的径向方向要测量的整个宽度上延伸。底部27的环形圆周内边缘带条由43表示。内边缘带条43表示所有开口39的径向内边界。开口39在其径向外边缘处大致延伸到传动元件26的圆柱形区段28。总体而言，底部27因此具有显著的弹性。

在圆周方向上，底部27以及因此整个柔性传动元件26以形状配合的方式联接到驱动元件2的底部5。为此，在底部5的内侧存在与开口39的数量相对应的多个形状配合元件44。当观察罐形驱动元件2时，形状配合元件44各自具有立方体形状，其中形状配合元件44接合在每个开口39中。形状配合元件44的侧面以如下方式抵靠接触侧翼40，使得在驱动元件2和传动元件26之间在上述元件2、26的圆周方向上形成适用于传递扭矩的具有很小游隙的形状配合联接件。在元件2、26的轴向方向和径向方向上，在柔性罐26的底部27和底部5之间保持移动性，以便传动元件26有游隙地安装在驱动元件2上。

在根据图1和图19的示例性实施例中，形状配合元件44借由粉末冶金来生产，作为驱动元件2的整体部件。另一方面，在根据图8的示例性实施例中，与整个驱动元件2一样，形状配合元件44借助于成形来生产。在这种情况下，在底部5的外侧上可以看到基本上矩形的凹陷45，该凹陷是在形状配合元件44的成形期间通过材料移位来生产的。在任何情况下，形状配合元件44直接与由表示对应形状配合元件的接触侧翼40界定的开口39相互作用。

当组装谐波驱动装置1时，在所有情况下都首先将波发生器31插入罐形柔性传动元件26中。由此得到的组件也称为调节轴46。然后，将调节轴46推入输出环形齿轮4中。在此，外齿29在两个相互相对的圆周区域中接合在内齿30中。然后，将驱动元件2从第一端面S

附图标记说明

1谐波驱动装置 2驱动元件 3链轮 4输出元件，输出环形齿轮 5底部 6锥形外圆周表面 7圆柱形外圆周表面 8第一锥形外圆周表面 9第二锥形外圆周表面 10圆柱形内圆周表面；径向滑动支承面 11输出元件的圆柱形区段 12锁环 13凹槽 14轴向滑动支承面15底部 16销 17开口 18旋转角限制 19驱动侧止动轮廓 20输出侧止动轮廓 21止动段 22凹部，调节窗口 23带条 24开口 25止动段 26柔性传动元件，柔性环 27底部 28圆柱形区段 29外齿 30内齿 31波发生器 32滚珠轴承 33内环 34螺栓 35滚动元件，球体 36保持架37外环 38凹陷部 39开口 40接触侧翼 41内加宽区段 42外加宽区段 43内边缘带条 44形状配合元件 45凹陷 46调节轴S