DE19745177C2 - Getriebestufe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Getriebestufe gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Getriebe, die als Übersetzungs- und Untersetzungsgetriebe wir­ ken, sind aus einer oder mehreren Getriebestufen aufgebaut. Vorzugsweise sind die Getriebe als Zahnradgetriebe ausgebil­ det, bei welchen in jeder Getriebestufe ein erstes antreiben­ des Zahnrad in ein zweites angetriebenes Zahnrad eingreift.

Zahnradgetriebe sind wegen des Zahneingriffs einem Verschleiß unterworfen.

Werden Zahnradgetriebe als Untersetzungsgetriebe verwendet, so weist das angetriebene zweite Rad einen dem Untersetzungs­ verhältnis entsprechend größeren Durchmesser auf als das an­ treibende erste Rad. Ist ein höheres Untersetzungsverhältnis erwünscht, so kann dies die Abmessungen der Getriebestufe beträchlich vergrößern.

Beispielsweise werden bei absoluten Drehwinkelmeßsystemen mechanische Untersetzungsgetriebe eingesetzt, um den Drehwin­ kel über mehrere Wellenumdrehungen absolut zu erfassen. Die Drehwinkelmeßsysteme sind in der Regel an elektrische Antriebe gekoppelt die sich entsprechend schnell drehen, wobei Drehzah­ len bis zu 12000 Umdrehungen/Minute vorkommen. Da die Lagerun­ gen für solche hohen Drehzahlen aufwendig sind, ist für die erste Getriebestufe ein hohes Untersetzungsverhältnis er­ wünscht, damit für das angetriebene zweite Rad eine weniger aufwendige Lagerung verwendet werden kann. Wird bei solchen Drehwinkelmeßsystemen eine Hohlwellenanordnung verwendet, so ergibt sich für das auf der Hohlwelle angeordnete antreibende erste Rad der ersten Getriebestufe bereits ein beträchtlicher Außendurchmesser. Dies ergibt in Verbindung mit dem durch das Untersetzungsverhältnis bedingten Durchmesser des zweiten Rades einen sehr großen radialen Platzbedarf für die erste Getriebestufe. Außerdem ergibt sich durch die Dimensionierung des zweiten angetriebenen Rades eine nachteilige Massenträg­ heit des angetriebenen Rades.

Aus der DE-PS 235 564 ist ein magnetisches Getriebe bekannt, bei dem ein ferromagnetischer Profilsteg mit mehreren Gewindegängen eines Rades durch einen Luftspalt getrennt einem Satz von ferro­ magnetischen Profilstegen eines zweiten Rades gegenübersteht. Die beiden Räder sind nach Art eines Schneckengetriebes mit senkrecht zueinander stehenden Wellen angeordnet. Das eine Rad bildet gleichzeitig den Anker einer Gleichstrommaschine. Die Magnetisierung erfolgt durch einen Elektromagneten, der das eine Rad umgreift und axial in das andere Rad eingreift.

Aus der DE 43 02 216 A1 ist ein magnetisches Getriebe bekannt, bei welchem zwei Zylinder achsparallel gelagert sind. In die Mantelfläche der Zylinder ist jeweils schraubenlinienförmig eine eingängige Windung aus magnetischem Material eingelassen. Das Übersetzungsverhältnis beträgt 1 : 1.

Aus der DE 33 06 446 A1 ist ein Schneckengetriebe bekannt, bei welchem in die Flanken der ineinandergreifenden Zahnprofile Permanentmagneten eingesetzt sind, die einander abstoßen, um ein Berühren der Zahnprofilflanken zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Getriebestufe zur Verfügung zu stellen, die geringe Abmessungen und ein geringes Massenträgheitsmoment ermöglicht und weitgehend ver­ schleißfrei ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Getrie­ bestufe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Getrie­ bestufe in der Weise auszubilden, daß das erste Rad das zweite Rad über eine magnetische Reluktanzkopplung antreibt. Hierzu weist eines der Räder einen umlaufenden Profilsteg aus einem ferromagnetischen oder permanentmagnetischen Material auf, während das andere Rad mehrgängige Profilstege aus einem per­ manentmagnetischen Material aufweist. Die Räder sind so an­ geordnet, daß sich die Profilstege mit geringem Luftspalt gegenüberstehen. Wird das antreibende erste Rad gedreht, so dreht sich das zweite Rad in der Weise mit, daß der Luftspalt zwischen den Profilstegen und damit die magnetische Energie im Luftspalt möglichst klein bleibt.

Das Verhältnis der Gewindegangzahlen der beiden Räder bestimmt dabei das Untersetzungs- bzw. Übersetzungsverhältnis. Weist beispielsweise das antreibende erste Rad einen eingängigen Profilsteg auf und das zweite angetriebene Rad mehrgängige Profilstege, die sich über jeweils zumindest einen Bruchteil des Umfangs erstrecken, so ergibt sich ein Untersetzungsver­ hältnis welches der Anzahl der Gewindegänge der Profilstege des zweiten Rades entspricht.

Da die Räder nur über die magnetische Reluktanz gekoppelt sind und sich nicht berühren, wirken die Getrieberäder verschleiß­ frei zusammen.

Das Untersetzungs- bzw. Übersetzungsverhältnis wird durch die Zahl der Gewindegänge bestimmt und ist konstruktiv nicht von dem Radius der Räder abhängig. Es können daher auch Unterset­ zungs-Getriebestufen mit geringen radialen Abmessungen reali­ siert werden. Insbesondere kann auch bei einer Untersetzungs- Getriebestufe das zweite Rad mit wesentlich kleinerem Durch­ messer als das erste Rad ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit auch bei einer Hohlwellenanordnung z. B. eines Drehwinkelmeßsystems mit einem auf der Hohlwelle angeordneten antreibenden Rad der ersten Getriebestufe ein hohes Unterset­ zungsverhältnis mit geringen radialen Abmessungen des ange­ triebenen zweiten Rades zu realisieren.

Eine kostengünstige Herstellung ergibt sich dadurch, daß das Rad mit dem größeren Durchmesser mit dem ferromagnetischen Profilsteg versehen wird, während das kleinere der Räder mit den permanentmagnetischen Profilstegen ausgebildet wird. Da­ durch ist es möglich, das kleinere Rad mit seinen Profilstegen einstückig aus permanentmagnetischem Material herzustellen.

Die magnetische Reluktanzkopplung ist nur bis zu einem be­ stimmten Drehmoment belastbar. Wird dieses Drehmoment über­ schritten, so kommt das angetriebene zweite Rad "außer Tritt". Wird das angetriebene zweite Rad mit kleinem Durchmesser aus­ gebildet, was erfindungsgemäß auch bei einem Untersetzungs­ getriebe möglich ist, so ist die Massenträgheit des zweiten Rades gering und eine Überschreitung des Grenzdrehmoments tritt in der Regel nicht auf. Um zu vermeiden, daß auch bei großen Drehbeschleunigungen das angetriebene zweite Rad außer Tritt kommt, ist in einer bevorzugten Ausführung zwischen dem Gewindegang des ferromagnetischen Profilsteges ein weiterer Gewindegang eines Profilsteges aus einem nichtmagnetischen Material angeordnet. Die Profilhöhe des nichtmagnetischen Profilsteges ist dabei um zumindest die Breite des Luftspaltes zwischen den magnetisch zusammenwirkenden Profilstegen größer als die Profilhöhe des ferromagnetischen Profilsteges. Sollte bei großen Drehbeschleunigungen das angetriebene zweite Rad den magnetischen Eingriff mit dem antreibenden Rad verlieren, so kommt der nichtmagnetische Profilsteg aufgrund seiner grö­ ßeren Profilhöhe mechanisch mit dem permanentmagnetischen Profilsteg des angetriebenen Rades in Eingriff und nimmt die­ ses reibschlüssig mit.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Getriebestufe sowohl als Untersetzungsgetriebe als auch als Übersetzungsgetriebe ausgebildet sein kann. Weiter ist es ersichtlich, daß das antreibende Rad oder das angetriebene Rad permanentmagnetisch ausgebildet sein können, während das jeweils andere Rad den ferromagnetischen Profilsteg aufweist. Weiter ist ersichtlich, daß beide Räder jeweils ein- oder mehrgängige Profilstege aufweisen können. Das Untersetzungs- bzw. Übersetzungsverhält­ nis ergibt sich aus dem Verhältnis der Anzahl der Gewindegän­ ge. Schließlich ist ersichtlich, daß die Räder mit ihrem Au­ ßenumfang in Eingriff stehen können und ebenso eines der Räder als Hohlrad ausgebildet ist, wobei das andere Rad mit dem Innenumfang des Hohlrades in Eingriff kommt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die ein­ zige Figur zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ge­ triebestufe.

Ein erstes antreibendes Rad 1 ist als Hohlrad ausgebildet, welches z. B. auf die Eingangshohlwelle eines absoluten Dreh­ winkelmeßsystems aufgesetzt werden kann oder als Teil dieser Eingangshohlwelle ausgebildet ist.

An dem zylindrischen Außenumfang des Rades 1 ist ein Profil­ steg 4 aus einem ferromagnetischen Material angeordnet. Der Profilsteg 4 läuft als eingängiges Gewinde um das erste Rad 1. Zwischen dem Gewindegang des ferromagnetischen Profilsteges 4 ist ein zusätzlicher Profilsteg 5 angeordnet, der aus einem nichtmagnetischen Material, z. B. aus Aluminium besteht. Der nichtmagnetische Profilsteg 5 und der ferromagnetische Profil­ steg 4 sind somit nach Art eines zweigängigen Gewindes an­ geordnet.

Ein zweites Rad 2 ist achsparallel zu dem ersten Rad 1 an dessen Außenumfang angeordnet. Die axiale Abmessung des zwei­ ten Rades 2 entspricht der Steigung des Profilsteges 4 des ersten Rades 1. Das zweite Rad 2 weist an seiner Mantelfläche vier Profilstege 3 auf, die nach Art eines viergängigen Ge­ windes angeordnet sind. Jeder der Profilstege verläuft über ein Viertel des Umfangs des Rades 2, wobei das obere Ende des einen Profilsteges 3 in der Winkelstellung jeweils mit dem unteren Ende des vorangehenden Profilsteges 3 überlappt. Das zweite Rad 2 mit seinen Profilstegen 3 ist einstückig aus einem permanentmagnetischen Material hergestellt.

Die Räder 1 und 2 sind in Bezug auf ihren Achsabstand, ihren Durchmesser und die Profilhöhe so dimensioniert, daß zwischen dem Profilrücken des ferromagnetischen Profilsteges 4 des Rades 1 und dem Profilrücken der permanentmagnetischen Profil­ stege 3 des Rades 2 ein minimaler Luftspalt bleibt. Der nicht­ magnetische Profilsteg 5 weist eine Profilhöhe auf, die um die Breite dieses Luftspaltes größer ist als die Profilhöhe des ferromagnetischen Profilsteges 4.

Aufgrund der magnetischen Reluktanz stellt sich das zweite Rad 2 in seiner Winkelstellung so ein, daß der Luftspalt zwischen dem permanentmagnetischen Profilsteg 3 und ferromagnetischen Profilsteg 4 und damit die magnetische Energie in diesem Luft­ spalt minimal bleibt.

In der in der Zeichnung dargestellten Position steht das obere Ende des Gewindeganges des ferromagnetischen Profilstegs 4 dem oberen Ende eines Gewindeganges des permanentmagnetischen Profilsteges 3 gegenüber. Wird das erste Rad 1 z. B. in der Richtung des Pfeiles angetrieben, so wandert aufgrund der Schraubenlinien-Ausbildung des ferromagnetischen Profilsteges 4 der dem zweiten Rad 2 zugewandte Bereich des Profilsteges 4 in axialer Richtung nach unten. Dementsprechend richtet sich der auf der selben Höhe liegende axiale Bereich des permanent­ magnetischen Profilsteges 3 aus, um den Luftspalt minimal zu halten. Das zweite Rad 2 dreht sich somit in entgegengesetztem Drehsinn. Der ferromagnetische Profilsteg 4 des ersten Rades 1 weist eine Gewindesteigung auf, die der axialen Höhe des zweiten Rades 2 entspricht. Hat sich das erste Rad 1 daher um 360° gedreht, so ist der dem zweiten Rad 2 zugewandte Bereich des ferromagnetischen Profilstegs 4 um die axiale Höhe des zweiten Rades 2 nach unten gewandert und das zweite Rad 2 hat sich um den Winkel gedreht, über welchem sich der permanent­ magnetische Profilsteg 3 erstreckt, d. h. in dem in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiel um 90°. Aufgrund der Winkelüberlappung von Anfang und Ende der permanentmagneti­ schen Profilstege 3 kommt der ferromagnetische Profilsteg 4 nun mit dem oberen Ende des folgenden permanentmagnetischen Profilstegs 3 in magnetischen Eingriff, um die Drehung des zweiten Rades 2 um die folgenden 90° zu bewirken. Die dar­ gestellte Getriebestufe weist somit ein Untersetzungsverhält­ nis von 4 : 1 auf.

So lange der ferromagnetische Profilsteg 4 mit den permanent­ magnetischen Profilstegen 3 in magnetischem Eingriff ist, greift der nichtmagnetische Profilsteg 5 zwischen die perma­ nentmagnetischen Profilstege 3 des zweiten Rades 2 und ist somit wirkungslos. Sollte aufgrund einer großen Drehbeschleu­ nigung des antreibenden Rades 1 die magnetische Reluktanzkraft nicht ausreichen, um das Rad 2 mitzunehmen, so bleibt das Rad 2 hinter dem Rad 1 zurück. Dadurch kommt der nichtmagnetische Profilsteg 5 in den Bereich des permanentmagnetischen Profil­ stegs 3 und kommt aufgrund seiner größeren Profilhöhe reib­ schlüssig mit diesem in Eingriff. Das angetriebene Rad 2 wird dadurch von dem antreibenden Rad 1 über den nichtmagnetischen Profilsteg 5 mechanisch mitgenommen.

Claims (6)

1. Getriebestufe mit einem ersten Rad (1) und einem von dem ersten Rad (1) angetriebenen zweiten Rad (2), wobei eines der Räder (1) wenigstens einen in zumindest einem Gewinde­ gang umlaufenden Profilsteg (4) aufweist, wobei das andere Rad (2) mehrgängige Profilstege (3) aufweist, die jeweils zumindest über einen Bruchteil des Umfanges umlaufen, wobei die Profilrücken der Profilstege (3, 4) einander mit ge­ ringem Luftspalt gegenüberstehen und wobei die Profilstege (4) eines Rades (1) ferromagnetisch oder permanentmagne­ tisch sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstege (3) des anderen Rades (2) permanentmagnetisch sind und daß die Räder (1, 2) achsparallel angeordnet sind.

2. Getriebestufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Räder (2) mit seinen Profilstegen (3) einstückig aus permanentmagnetischem Material besteht.

3. Getriebestufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ausbildung als Untersetzungsgetriebestufe das erste Rad (1) mit größerem Durchmesser als das zweite Rad (2) ausgebildet ist, daß das erste Rad (1) an seinem Außen­ umfang einen eingängig umlaufenden Profilsteg (4) aufweist, dessen Steigung der axialen Abmessung des zweiten Rades entspricht, und daß das zweite Rad (2) mehrere mehrgängig angeordnete Profilstege (3) aufweist, die sich jeweils über einen ihrer Anzahl entsprechenden Bruchteil des Umfangs erstrecken.

4. Getriebestufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rad (1) als Hohlwellenrad ausgebildet ist.

5. Getriebestufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ferromagnetischen Profilsteg (4) des einen Rades (1) ein Profilsteg (5) aus einem nichtmagnetischen Material in Form eines zweiten Gewindeganges verläuft, wobei die Profilhöhe des nicht­ magnetischen Profilsteges (5) zumindest um die Breite des Luftspaltes zwischen dem ferromagnetischen Profilsteg (4) und dem permanentmagnetischen Profilsteg (3) größer ist als die Profilhöhe des ferromagnetischen Profilsteges (4).

6. Getriebestufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebestufe als erste Untersetzungsstufe eines Multi­ turn-Absolutdrehwinkelmeßsystems ausgebildet ist.