齿轮装置、具有齿轮装置的凸轮轴调节器以及内燃发动机

技术领域

本发明涉及齿轮装置，该齿轮装置具有驱动单元、输出单元和调节单元，其中，输出单元相对于驱动单元的相位位置可以借助于调节单元来改变。

背景技术

这种类型的齿轮装置也被称为三轴齿轮机构并且例如在机动车辆中使用，以便在由皮带或链条驱动的可旋转移动的单元上运行期间能够在输入角度位置与输出角度位置之间进行相位调节。这例如用于对内燃发动机中的凸轮轴进行调节，以便使凸轮轴相对于曲轴的相位角适合于内燃发动机的不同负载条件和/或速度，并且因此提高内燃发动机的性能或燃料经济性或者减少环境污染。

为此目的，这些齿轮装置具有电动调节单元，所述电动调节单元与液压致动的调节单元相比使得能够在相对较大的温度窗口内实现较高的调节速度。当这样的齿轮装置实现为具有高传动比的行星齿轮、偏心齿轮或应变波齿轮时，它们是特别有效的。

为了确保快速调节并且仍避免由在角度调节的端部位置中的硬冲击造成的损坏，这些齿轮装置中的一些齿轮装置在相位调节的端部止挡部上具有阻尼器件，所述阻尼器件对端部位置中的冲击进行阻尼。这些阻尼元件可以是机械的，但也可以是液压的，并且通常非常难以制造或者不能提供足够的保护以防止损坏。其他齿轮单元不具有防止硬端止挡的保护措施。

DE 10 2017 128 423 A1公开了一种具有端部止挡部的电致动的齿轮单元，该齿轮单元包括对输出元件与驱动元件之间的旋转角度的机械限制。对这些端部止挡部不存在单独的阻尼。

EP 2 638 257 B1公开了一种用于对具有液压冲击阻尼的凸轮轴进行调节的齿轮单元。当到达端部位置时，驱动元件与输出元件之间的腔内的油只能以节流的方式经由输出元件中的径向引入的通道流出并且因此对端部止挡部进行阻尼。此处的缺点是，由于径向引入的通道使得制造是复杂的，另外，由于所选择的几何形状，阻尼不能容易地适应齿轮单元的各种操作状态。在DE 10 2012 211 526 A1中公开了另一种凸轮轴调节器。

DE 10 2017 128 731 A1在图2中公开了一种凸轮轴调节器，该凸轮轴调节器具有驱动单元和输出单元以及阻尼式端部止挡部。为此目的，在端部止挡部的前面形成有腔。这些腔经由端部止挡部的端面中的孔连接至通道，所述通道可以填充有来自径向地位于内部的储液部的油。油可以经由径向地布置于外部的油节流器流出。这种端部止挡阻尼的缺点是，一方面，必须不断地泵送油，这要求油泵的性能。此外，不仅需要在端部止挡部附近进行调节，而且需要长期抵抗油压，这降低了响应性能和调节速度。另外，基本上径向延伸的油通道的制造是复杂的，并且由于引入的孔而降低了端部止挡部的稳定性。

发明内容

本发明的目的是改进现有技术。

该目的通过根据权利要求1所述的齿轮装置来实现。这种结构使得能够在齿轮装置内以紧凑的方式设计对端部止挡部的液压止挡阻尼，并且在相应的第一腔与相应的第二腔之间具有直接连接，因此实现了有效的止挡阻尼，并且避免了对驱动单元或输出单元的损坏。这确保了阻尼仅在端部止挡部的区域中开始，因为横截面的变窄仅发生在端部止挡部处的相位位置或者刚好在端部止挡部之前。在横截面不变窄的情况下，液压介质可以相对不受阻碍地从一个腔流入另一个腔中，使得中心区域的调节性能不受影响，或者仅受到很小程度的影响。在横截面变窄的区域中，液压介质不再能够足够快地流出，使得因此实现了阻尼。

在本发明的一个实施方式中，可以规定的是，溢流路径在任何相位位置均不会完全关闭。这有效地将止挡部负载在大多数操作情况下降低到相对较低的值，而不会过度延迟地到达端部止挡部。因此，在端部止挡部区域中的调节性能也是令人满意的。

在本发明的另一个实施方式中，在端部止挡部处的溢流路径不仅部分地关闭，而且完全地关闭。溢流路径也可以在到达端部止挡部之前关闭。这可以确保即使在高调节速度下也能始终防止机械冲击。在这些情况下，端部止挡部只能经由泄漏损失来调节。然而，也可以期望在驱动单元与输出单元之间总是提供油缓冲。

横截面的变窄优选地由驱动单元和输出单元的侧向表面在特定角度位置形成。因此，如果横截面的变窄在相位位置改变期间仅通过部件的几何形状来实现，则不需要诸如致动器之类的致动机构。因此，溢流路径不需要被单独制造，而是在部件制造期间以脱离工具的方式获得。

如果溢流路径形成在驱动部件与输出部件之间的接合部处，则该溢流路径可以特别容易地实现。为此目的，该溢流路径优选地基本上在齿轮单元的周向方向上延伸。因此，不再需要用作油通道的径向孔。将腔结合到驱动单元和输出单元的表面中节省了空间，并且不需要任何额外的部件。例如，驱动单元可以被烧结，并且腔可以以脱离工具的方式制造。

在从溢流路径径向输出的情况下，端部止挡部不需要被加工，使得边缘断裂的风险被最小化，并且整个几何横截面面积能够用作止挡表面。

在此术语解释如下：

“齿轮装置”可以是用于将大部分旋转效果在增加或不增加速度、相位位置或经传输的扭矩、或者减少或不减少速度、相位或经传输的扭矩的情况下从驱动侧传送或传输至输出侧的器件的任何布置结构。特别地，该齿轮装置可以是用于调节内燃发动机的凸轮轴的齿轮装置，其可以在旋转期间对驱动侧与输出侧之间的相位角进行调节。齿轮装置优选地设计为应变波齿轮。

例如，“驱动单元”可以是齿轮装置的任何部分，其吸收驱动侧上的传入扭矩或传入速度并将传入扭矩或传入速度传送到齿轮装置。为此目的，驱动单元可以设计为环形齿轮。

被称为“输出单元”的元件可以是齿轮装置的任何部分，其可以将由齿轮装置传送或转换的扭矩、或者相应地传送或转换的速度输出到输出侧上的其他器件或部件。该输送可以例如从输出单元通过机械连接到内燃发动机的凸轮轴发生。紧凑的设计在输出单元径向布置在驱动单元内部时成为可能。

“调节单元”可以是任何机械单元、电气单元、液压单元或其他单元，其使得能够自动地、或者通过外部影响或外部控制实现或执行驱动单元与输出单元之间的调节。在这种情况下，调节单元特别地可以起到对驱动单元与输出单元之间围绕公共旋转轴线的相对角度进行改变或调节的作用。

“相位位置”、也被称为调节角度，是驱动单元与输出单元之间在围绕公共旋转轴线的旋转方向上相对于限定参考点的相对角度。特别地，相位位置在驱动单元和输出单元一起围绕公共轴线旋转时描述了该相对角度，使得该相对角度形成驱动单元与输出单元之间的旋转角度。

例如，任何机械配对可以是“套筒轴承”，其中，两个相对移动的非滚动部分通过位于移动部分之间的润滑剂直接接触或间接接触。作为旋转滑动轴承，这可以是外部部分和内部部分的任何配对，这种配对允许外部部分与内部部分之间以尽可能小的摩擦旋转。

“止挡元件”可以是机械地限制两个部件相对于彼此的运动的任何器件。特别地，这些器件是形状匹配的凸轮、棘爪、突出部和相应的凹部，以及实现该功能的任何其他器件。这些止挡元件特别是在旋转方向上起作用，并且从而对设置有止挡元件的部件的最大可能调节角度进行限制。可以在每个调节方向上有效地布置有一个或更多个止挡元件。

驱动元件或输出元件的部分环形截面被称为“侧表面区段”。在这种情况下，这可以是例如旋转对称序列中的一系列止挡元件以及相应的突出部和凹部。

“液压器件”可以是任何这样的下述器件：该器件借助于液压介质、即不可压缩或几乎不可压缩的流体来启动机械功能、执行机械力的减少或传输。液压介质可以是例如油、发动机油或润滑油，或者也可以是具有或不具有添加剂的水。特别地，用于操作液压器件的液压介质可以是使用齿轮装置的内燃发动机的发动机油。

“止挡阻尼”特别地描述了在接近或达到两个部件可能彼此运动的机械极限或端部位置时对机械运动的任何阻尼。这可以以线性或旋转的方式完成。特别地，这用于当驱动单元和输出单元在这两者围绕公共旋转轴线彼此的相对角度已经被改变之后到达端部位置时减小峰值力。每个止挡元件优选地被阻尼。

所述“腔”可以是在两个或更多个部件之间形成的任何腔。所述腔也可以是不仅仅由两个部件形成的腔，并且其中，液压介质可以例如流入和流出或者暂时或永久地保留在腔中。特别地，腔由驱动单元和输出单元的区段形成，即通过驱动单元和输出单元的互锁形成。这种腔可以由附加部件封闭，或者可以仅由这些附加部件完全封闭。

齿轮装置优选地具有成对的腔，使得成对的腔可以在任何调节方向上起作用。特别优选的是，两个腔在每种情况下彼此连通。这意味着第二腔接纳从第一腔排出的液压介质，并且第一腔也接纳从第二腔排出的液压介质。在一个实施方式中，设置有多个第一腔和多个第二腔，液压器件在所述腔之间只能成对地连通。在另一个实施方式中，多个第一腔或多个第二空腔也彼此连接。

“溢流路径”可以是液压介质能够流动通过的任何凹陷或孔或者通道状的铣削或以其他方式产生的凹陷。溢流路径优选地形成在两个腔之间、特别是相邻的腔之间，并且使得液压介质能够从一个腔流到另一个腔。这种溢流路径与多个腔一起可以形成如上所述的液压器件。溢流路径也可以由驱动单元和输出单元的几何布置结构形成。有利的是，溢流路径于是不必通过材料加工产生，而是通过两个部件形成局部变窄。

特别地，“直接连接”在本申请的含义中是经由尽可能最短的或甚至直接的路径实现的溢流路径的连接，使得实现尽可能最低的流动阻力和/或尽可能最小的流动路径，或者另外地实现简化该溢流路径的生产。

在一个实施方式中，溢流路径被引入沿齿轮单元的轴向方向指向的输出单元或驱动单元的侧表面中。

这种构造使得可以简化驱动单元或输出单元的制造，使得溢流路径可以例如借助于铣削被引入到驱动单元或输出单元的侧表面中。此外，例如在烧结冶金过程中制造驱动单元和/或输出单元时，可以将用于此制造所需的工具设计成使得尽管溢流路径或多个路径被模制成型，但是工件仍然能够从工具脱模。

为了确保液压器件的特别低的阻力以及可容易计量的作用模式，并且为了进一步地简化生产，溢流路径基本上在齿轮单元的周向方向上布置在第一腔中的一个腔与第二腔中的一个腔之间。

在另一实施方式中，形成溢流路径直到到达角度限制的端部位置或角度限制的两个端部位置为止，使得实现冲击阻尼。溢流路径可以形成为例如驱动单元或输出单元的径向突出部，其在调节到可能的调节路径的端部区域期间由驱动部件和输出部件本身封闭，使得有效的液压阻尼仅在到达端部位置紧之前发生。

这种构造使得可以将液压器件设计成使得在从液压介质到达端部位置之前在至少一个腔内产生储液部或缓冲，这允许齿轮装置以对材料温和的方式操作成使得可靠地防止止挡元件彼此碰撞。

为了以特别可靠的方式防止止挡元件彼此碰撞，并且在相位位置改变时仍然实现齿轮装置的平稳工作特性，已经证明有利的是，在到达端部位置或两个端部位置之前，溢流路径在围绕齿轮装置的旋转轴线的径向坐标系中为1°至10°、特别地为3°或5°。

在另一实施方式中，溢流路径的布置在旋转有效方向上的输入侧与溢流路径的布置成远离齿轮装置的旋转有效方向的输出侧具有不同的横截面。

“旋转有效方向”是极坐标中的参考方向，用于限定液压器件的输入侧和输出侧以及溢流路径，由此该旋转作用方向是例如用于驱动单元和输出单元的相位调节的旋转方向，沿该旋转方向将相位位置调节到正旋转方向。然而，该旋转方向可以限定在相反的方向上，如果这对于描述齿轮装置的功能有意义的话。

“输入侧”是溢流路径的下述端部区域：在执行齿轮装置的预期功能期间，液压介质在该端部区域中从液压介质的一个腔流入另一个腔中。

“输出侧”是溢流路径的下述端部区域：在执行齿轮装置的预期功能时，液压介质从该端部区域从液压介质的一个腔流出到另一个腔中。

为了密封液压器件以防止液压介质、特别是油的逸出，并且为了确保液压介质不会逸出成使得齿轮装置故障，设置有一个或若干个密封元件以用于将驱动单元和输出单元相对于彼此轴向密封。

“密封元件”可以是有效密封油或其他液压介质通过所需密封平面的任何器件，并且由此完全或几乎完全地阻挡液压介质。

在另一实施方式中，密封元件或多个密封元件是轴向作用的O形环或轴向作用的X形环。通过使用O形环或X形环，可以创建一个便宜且经证明的密封系统，如上所述，该密封系统安全且可靠地阻挡液压介质。因此，可靠地确保了齿轮装置的功能。

密封系统也可以被设计成使得密封系统在旋转角度远离端部止挡部而改变时完全地密封，并且仅在接近端部止挡部时——这导致超过最小油压力，通过密封系统实现受控的压力降低。

在另一方面，该目的通过一种电动凸轮轴调节器来实现，该电动凸轮轴调节器具有根据前述实施方式中的任一实施方式所述的齿轮装置。齿轮装置可以具有独立于发动机油路的液压器件。替代性地，发动机油可以以双重功能用于实现端部止挡阻尼并用于冷却凸轮轴调节器。

在另一方面，该目的通过一种具有凸轮轴调节器的内燃发动机来实现，该凸轮轴调节器包括前述实施方式所述的齿轮装置。在内燃发动机中，齿轮装置也可以用来调节压缩比。齿轮装置的用途不限于车辆领域，例如用于发动机应用、用于转向或拖车稳定，而且也可以用于机器人或其他优选地具有高度紧凑设计的装置。

附图说明

下面使用示例性实施方式解释本发明。在附图中：

图1a示出了根据本发明的齿轮装置的左半部的示意性表示的侧视图，

图1b由齿轮装置的在图1a中未示出的右半部示出了图1a的齿轮装置的详细视图，

图2a示出了根据本发明的齿轮装置的右半部的示意性表示的侧视图，以及

图2b示出了图2a的齿轮装置的详细视图。

具体实施方式

应变波齿轮被设计为齿轮装置101，齿轮装置用于调节凸轮轴(未示出)并且具有呈驱动轮103形式的驱动单元以及呈输出轮105形式的输出单元，驱动轮和输出轮以一者位于另一者内部的方式以相同的旋转轴线布置。

驱动轮103具有外齿部104，该外齿部用于容纳齿形带(未示出)。内燃发动机中的齿轮装置101可以借助于这种齿形带而被驱动。为此目的，齿形带连接至内燃发动机的曲轴，并且齿形带传动成使得驱动轮103以曲轴速度的一半被驱动。

输出轮105具有内齿部106，调节单元107接合在该内齿部中并因此连接至输出轮105。此外，输出轮105以抗扭的方式连接至内燃发动机的凸轮轴，使得凸轮轴根据发动机转速与齿轮装置101一起以曲轴速度的一半旋转。

在所示出的示例中，调节单元107是应变波齿轮，但是未对此进行详细描述。调节单元107影响相位调节角度129，该相位调节角度是围绕驱动轮103和输出轮105的公共旋转轴线而限定的并且描述了驱动轮103相对于输出轮105围绕该轴线的旋转。

当内燃发动机运行时，在曲轴与齿轮装置101之间的保持不变的传动比从而凸轮轴相对于曲轴的线性相关的速度的情况下，通过对相位调节角度129进行调节，凸轮轴相对于曲轴的相位角可以在规定的范围内进行调节。

驱动轮103的内侧表面109与输出轮105的外侧表面111之间形成滑动轴承，这使得输出轮105能够在驱动轮103内无问题地旋转。

在驱动轮103内于内侧表面109上形成有止挡凸轮113，并且在输出轮105的外侧表面111的区域中形成有止挡凸轮114，这两个止挡凸轮沿着相应的圆周以规则的间隔应用，并且因此形成在驱动轮103与输出轮105之间进行互锁的分段部。

相位调节角度129借助于由止挡凸轮113和止挡凸轮114构成的这种分段部而被机械地限制。附图示出了在驱动轮103内的输出轮105的左端部位置。输出轮105可以在驱动轮103内旋转通过形成在两个相邻止挡凸轮113之间的全相位调节角度129。

在驱动轮103的分段部内的止挡凸轮113之间形成有腔，并且这些腔通过输出轮的止挡凸轮114而彼此分开。第一腔115和第二腔117各自形成具有止挡凸轮114的液压主动单元，液压主动单元填充有内燃发动机的发动机油作为液压介质。

齿轮装置被侧向密封以防止油逸出，即齿轮装置借助于其他部件从侧表面123和124的方向并且从背向的一侧(未示出)被密封。这些部件例如可以是盖盘，或者是调节单元107的部件。然后，借助于布置在这些部件与侧表面123和124之间的O形环进行密封以防止油逸出。

对于下面两种构型的功能方面的描述，应当提及的是，在所示出的操作状态下，通过到达止挡凸轮113与止挡凸轮114之间的相应端部止挡部，第一腔115扩大至其最大程度，并且第二腔117减小至接近零的尺寸。此时，在止挡凸轮113与止挡凸轮114之间仅剩余极少的油膜，这无法进行表示。

在第一实施方式中，在输出轮105中的止挡凸轮114内引入有通道121。该通道形成为从输出轮105的侧表面124凹陷的凹陷部，并且因此可以借助于铣削或烧结冶金工艺容易地生产。在当前情况下，驱动轮103和输出轮105已经以这种烧结冶金工艺生产。

槽道121的相应输入侧125和相应输出侧127被不同地设计成使得槽道121在输入侧125上比输出侧127上具有更大的横截面。

输入侧125和输出侧127布置成使得当到达驱动轮103内的输出轮105的相应指定的端部止挡部时，相应的第一腔125和相应的第二腔可以通过相应的通道121将油完全释放。

如果现在借助于调节单元107实施驱动轮103与输出轮105之间的相位调节，那么为了内燃发动机的平稳的发动机操作以及始终高水平的动力输出，该相位调节必须尽可能均匀且快速地进行。另一方面，利用止挡凸轮114撞击止挡凸轮113而进行的过快的调节导致止挡凸轮113或114高度磨损乃至破裂，从而破坏应变波齿轮101的功能性。

对主动单元内的第一腔115与第二腔117之间的功能进行描述。当然，该描述可以用于由第一腔115和第二腔117组成的任何主动单元。总体上，应变波齿轮的功能行为然后由多个主动单元的叠加功能而产生。

被封闭在第一腔115中的油借助于止挡凸轮114而防止输出轮105相对于驱动轮103旋转。如果现在借助于调节单元107开始旋转，则油必须流过止挡凸轮114中的通道121并且此时会经受增加的阻力。该阻力的大小受输入侧125的横截面、输出侧127的横截面和通道121自身的横截面的影响。

如果现在输出轮105在驱动齿轮103内到达其端部止挡部，则仍然存在于止挡凸轮111与止挡凸轮113之间的腔115或117中的剩余的油在应变波齿轮的厚度方向上被压出该腔。作为该过程的结果，当到达端部止挡部时，调节过程受到阻尼，从而可靠地避免了对应变波齿轮101的损坏。

在应变波齿轮101的第二(替代性)实施方式中，在驱动轮103中的侧表面123内引入有通道222。该通道形成为从驱动轮103的侧表面123凹陷的凹陷部，并且因此可以借助于铣削或烧结冶金工艺容易地生产。在当前情况下，驱动轮103和输出轮105已经以这种烧结冶金工艺生产。

槽道222的相应输入侧226和相应输出侧228被不同地设计成使得槽道222在输入侧226上比在输出侧228上具有更大的横截面。

输入侧226和输出侧228以下述方式布置：当在输入轮103内相对于输出轮105的相应地相关联的端部止挡部沿旋转方向到达为直至到达该最终端部止挡部之前的大约3°的角度时，相应的第一腔115和相应的第二腔117可以通过相应的通道222将油完全释放，这是因为油可以通过通道222在腔之间自由流动。对于余下的3°，在余下的腔117中形成了油缓冲，这附加地对端部止挡部形成阻尼。

如果现在借助于调节单元107实施驱动轮103与输出轮105之间的相位调节，那么为了内燃发动机的平稳的发动机操作以及始终高水平的动力输出，该相位调节必须尽可能均匀且快速地进行。另一方面，利用止挡凸轮114撞击止挡凸轮113而进行的过快的调节导致止挡凸轮113或114高度磨损乃至破裂，从而破坏应变波齿轮101的功能性。

再次对主动单元内的第一腔115与第二腔117之间的功能进行描述。当然，该描述也可以用于由第一腔115和第二腔117构成的每个主动单元的第二实施方式。总体上，应变波齿轮的功能行为然后由多个主动单元的叠加功能而产生。

被封闭在第一腔115中的油借助于止挡凸轮114而防止输出轮105相对于驱动轮103旋转。如果现在借助于调节单元107开始旋转，则油必须流过侧表面123中的通道222并且此时会经受增加的阻力。该阻力的大小受输入侧226的横截面、输出侧228的横截面和通道222自身的横截面的影响。

如果现在输出轮105在驱动轮103内到达了其机械端部止挡部之前大约3°的位置，那么仍然存在于止挡凸轮113与止挡凸轮114之间在腔115或117中的剩余的油不会在应变波齿轮101的厚度方向上被输入侧226或输出侧228的位置——这取决于旋转的方向——立即压出该腔，而是最初作为类似缓冲垫的剩余量保留在相应的腔115、117中。作为该过程的结果，调节过程在到达端部止挡部之前受到阻尼，这意味着甚至更可靠地避免了对应变波齿轮101的损坏，并且对于更极端的操作状态或不正确的启用而言也是如此，并且还实现了对凸轮轴的更缓和的调节行为。

附图标记列表

101 齿轮装置、应变波齿轮

103 驱动单元、驱动轮

104 外齿部

105 输出单元、输出轮

106 内齿部

107 调节单元

109 内侧表面

111 外侧表面

113 第一止挡元件

114 第二止挡元件

115 第一腔

117 第二腔

121 溢流路径、通道

123 侧表面

124 侧表面

125 输入侧

127 输出侧

129 相位调节角度

222 溢流路径、通道

226 输入侧

228 输出侧

229 相位调节角度