AT509468B1 - Planeten-differentialgetriebe mit excenter-getriebestufe - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT509 468B1 2011-09-15

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft ein Planeten-Differenzialgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

STAND DER TECHNIK

[0002] Planeten-Differenzialgetriebe besitzen den Vorteil, hohe Untersetzungsverhältnisse zwischen An- und Abtriebswelle bei geringen Abmessungen und geringem Gewicht bereit zu stellen. Dies ist für Roboterantriebe, Stellmotoren aller Art, Radnabenantriebe, aber auch für Übersetzungsgetriebe beispielsweise von Windkraftanlagen von großer Bedeutung.

[0003] Insbesondere für Leichtroboter-Antriebe wird heutzutage gefordert, den Antriebsmotor zusammen mit dem Untersetzungsgetriebe in einer kompakten Einheit anzubieten - möglichst als komplettes Roboter-Gelenk mit integrierter Lagerung. Die Planetenräder füllen nach dem Stand der Technik den Raum innerhalb des Getriebes jedoch so aus, dass kein Platz für einen koaxialen Antriebsmotor verbleibt.

[0004] Eine prinzipielle Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, zeigt die Schrift DE 4447210 A1, in der die Planetenräder an je einem Ende mit (exzentrischen) Kurbelzapfen ausgestattet sind, die von einem Excenterrad aus Drehmomente mit den Planetenräder austauschen. Kompaktheit ist allerdings nicht das Bestreben dieser Erfindung, es werden mit den Planetenrädern verbundene, überdimensionale Schwungmassen zum Massenausgleich eingesetzt. Daneben benötigt der Kurbeltrieb jedes Planetenrades eine Wälzlagerung, dies ist dann besonders von Nachteil, wenn die Anzahl der Planetenräder größer als zwei ist. Daneben trägt diese Stufe der Ausführung nicht zur Vergrößerung des Unter-/ Übersetzungsverhältnisses bei, die Planetendrehzahl ist im Wesentlichen gleich der Schwingungsfrequenz des Excenterrades.

[0005] Eine andere Art, hohe Untersetzungsverhältnisse zu erzielen, zeigt die Schrift DE 20200601877 U1. Dort treibt ein Antriebsritzel Planetenräder, diese kämmen in einem gegenüber dem Antriebsmotor-Gehäuse feststehendem Hohlrad und treiben mit ihrem nicht verzahnten Teil ein weiteres drehbar gelagertes Hohlrad. Koaxial zu diesem zweiten Hohlrad ist ein drittes Hohlrad angeordnet, wobei das zweite und dritte Hohlrad mit einem exzentrisch gelagerten Stirnrad im Eingriff sind. Durch die Fixierung des zweiten Hohlrades und einer geringen Zähnezahl-Differenz zwischen zweitem und drittem Hohlrad ist das dritte Hohlrad als langsam laufende Abtriebswelle ersetzbar.

[0006] Nachteilig an dieser Anordnung ist der große Platzbedarf im Inneren der zweiten Getriebestufe, der durch die massive (exzentrische) Lagerung des Stirnrades hervorgerufen wird. Dieses eine Stirnrad trägt die gesamte Abtriebslast. Günstiger ist es, die Abtriebslast auf mehrere Komponenten aufzuteilen wie bei Planeten-Differenzial-Getrieben der im Folgenden beschriebenen und zunächst dem Stand der Technik entsprechenden Bauart.

AUFGABENSTELLUNG

[0007] Betrachtet wird eine übliche Ausführung wie folgt: [0008] In der ersten Getriebestufe einer zweistufigen Anordnung treibt das Sonnenrad, starr mit der schnell laufenden Antriebswelle verbunden, mehrere Planetenräder. Diese sind über den Eingriffsbereich mit dem Sonnenrad hinaus axial so verlängert, dass sie in der zweiten Getriebestufe auch mit zwei koaxialen Hohlrädern mit gegeneinander leicht unterschiedlicher Zähnezahl kämmen. Diese Zahn-Differenz bewirkt im Betrieb eine Relativdrehzahl zwischen den Hohlrädern, die im Vergleich zur Drehzahl der Antriebswelle klein ist. Das Sonnenrad soll gegen die Planeten möglichst klein im Durchmesser sein, damit die erste Stufe möglichst viel zum Gesamt-Untersetzungsverhältnis beiträgt. Begrenzt wird der Planetendurchmesser durch die radiale Kollision der Planeten auf der dem Sonnenrad zugewandten Seite, wenn er zu groß 1/12 österreichisches Patentamt AT509 468 B1 2011-09-15 bemessen ist.

[0009] Planetenräder mit größtmöglichen Durchmessern stehen außerdem der Bestrebung, den Antriebsmotor zwischen diesen zu placieren, im Weg. Kleinere Planetenräder dagegen sind vom koaxialen Antriebsritzel des Elektromotors nicht erreichbar, weil das Antriebsritzel keinen größeren Durchmesser haben darf als die Planetenräder, wie oben aufgezeigt.

[0010] Eine zunächst nahe liegende Problemlösung ist die Einführung einer dritten Untersetzungsstufe in der jedes Planetenrad eine Verzahnung mit großem Durchmesser erhält, die mit dem Antriebsritzel kämmt und eine zweite Verzahnung mit kleinem Durchmesser, die mit den Hohlrädern kämmt. Durch den kleinen Durchmesser, der mit den Hohlrädern kämmt, bleibt Platz im Inneren des Getriebes. Ungünstiger Weise ragen die Teile der Planetenräder mit großem Durchmesser stark über die Hohlraddurchmesser hinaus, was der Kompaktheit zuwider läuft.

[0011] Eine weitere nahe liegende Anordnung wäre die Verbindung der Antriebswelle mit den Planetenrädern durch einen Zahnriemen oder eine Gliederkette. Nachteilig ist dabei die Elastizität eines Zahnriemens bzw. die alterungsbedingte Ausdehnung einer Gliederkette, was die Winkelgenauigkeit eines Robotergetriebes einschränkt.

[0012] Die vergleichsweise günstigste Methode der Anbindung des Antriebsritzels an die Planetenräder ist zunächst die in der o. a. Schrift DE 4447210 A1 beschriebene. Dort wird der Einsatz eines Excenterrades angeregt.

[0013] Um die erwähnten Nachteile zu beheben, wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Kurbeln aus DE 4447210 A1 durch je ein (verzahntes) Hohlrad für jedes Planetenrad einzusetzen. Diese Hohlräder sollen Teil des Excenterrades sein und in ihrer exzentrischen Bewegung um die Antriebswelle exzentrisch um die Planeten kämmen.

[0014] Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist den Patentansprüchen 2 entnehmbar.

[0015] Figurenübersicht: [0016] Fig. 1a und 1b zeigen zwei Ansichten eines dem Stand der Technik entsprechenden

Differenzial-Planeten-Getriebes wie in der Aufgabenstellung beschrieben.

[0017] Fig. 2a und 2b zeigen die Problematik modifizierter Ausführungen mit zweigeteilten

Planetenrädern kleineren Durchmessers im Bereich der langsam laufenden Hohlräder (Fig. 2a) oder der (Stirn-) Zahnräder (Fig. 2b), die Platz für einen integrierten Antriebsmotor lassen, jedoch mit dem großen Durchmesser im Bereich des Antriebsritzels weit über die übrige Anordnung hinausragen.

[0018] Fig. 3a bis 3c beinhalten die teilweise geschnittene isometrische Ansicht einer erfin dungsgemäßen Ausführung der ersten Getriebestufe samt integriertem Antriebsmotor, sowie eine Vorderansicht und einen Längsschnitt. Die Ausführung ist mit einem ausgewuchteten Excenterrad ausgestattet, das im Betrieb jedoch einen umlaufenden Radialdruck auf die Antriebswelle ausübt.

[0019] Fig. 4a bis 4f dokumentieren den Bewegungsablauf des Excenterrades der Ausführung aus Fig. 3a bis 3c entlang ca. einer halben Umdrehung der Antriebswelle mit dem starr damit verbundenen Antriebsexcenter.

[0020] Fi. 5a bis 5c zeigen eine Ausführung ähnlich der aus Fig. 3a bis 3c, jedoch mit drei

Winkel versetzten Excenterrädern zur Symmetrierung des Abtriebsmoments und Entlastung der Antriebswelle.

[0021] Fig. 6a bis 6c zeigen ebenfalls eine Ausführung ähnlich der aus Fig. 3a bis 3c, jedoch mit zwei winkelversetzten Excenterrädern zur Symmetrierung des Abtriebsmoments und Entlastung der Antriebswelle. Die Besonderheit die- 2/12

österreichisches Patentamt AT509 468 B1 2011-09-15 ser Ausführung liegt darin, dass die radiale Entlastung der Antriebswelle durch Verschränkung der Excenterräder erreicht wird, wodurch das Abtriebsmoment und die Radialkräfte jedes der beiden Excenterräder an derselben Axialposition der Planetenräder wirkt. Die Fig. 6c wurde in die Zusammenfassung übernommen.

[0022] Fig. 6d beinhaltet die Ansicht des ausgewuchteten Doppelexcenters der Anord nung in Fig. 6a bis 6d.

[0023] Fig. 7 ist die Explosionszeichnung zu der Ausführung in Fig. 6a bis 6d.

[0024] Fig. 8a bis 8c entsprechen der Anordnung aus Fig. 6a bis 6d, jedoch mit nahezu ver fünffachtem Untersetzungsverhältnis, das allein durch die Reduktion der Zähnezahl jener Hohlräder, die Teil der Excenterräder sind, (Detailansicht Fig. 8b) hergestellt wird.

NÄHERE BESCHREIBUNG UNDAUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[0025] Ausgehend von der erwähnten Problematik - dokumentiert in Fig. 2a und 2b - dass der Abstand zwischen Antriebsritzel und Planetenräder 6, 7 auf herkömmliche Weise nicht ohne Nachteile überbrückt werden kann, wird in der erfindungsgemäßen Ausführung die Antriebswelle 12 starr mit einem Excenter 13 verbunden, der über ein Wälzlager 14 ein dadurch frei drehbares Excenterrad 15 treibt. Das Excenterrad weist an seiner Peripherie so viele Hohl-Zahnräder 16 auf wie Planetenräder 17 vorhanden sind. Die Hohl-Zahnräder, die (notwendigerweise) eine größere Zähnezahl aufweisen als die Planetenräder, kämmen mit den Planetenrädern und bewegen diese durch ihre Kurbel beweg ung und den Zwang der Planetenräder, in dem oben beschriebenen Planetengetriebe auf definierte Weise abzuwälzen. Damit die Hohl-Zahnräder in jeder Winkelstellung mit den Planetenrädern gleichmäßig im Eingriff bleiben, muss der Achsabstand zwischen Hohl-Zahnrad und Planetenrad gleich der Exzentrität des Excenters sein. Die Planetenräder 17 kämmen - wie schon in der Anordnung der Figuren 1a und 1b - mit zwei Hohlrädern 18, 19 unterschiedlicher Zähnzahl, die als Anschlusswellen des Getriebes dienen. Das zweigeteilte Zahnrad 20 kämmt mit den Planetenrädern 17, ist sonst frei mitlaufend und dient den Planetenrädern als radiales Lager und der Torsions-Entlastung. Das Zahnrad 20 ist hohl ausgeführt, wird durch Nadellager 21 am Statorträger 22 des Elektromotors 23 radial gestützt. Der Statorträger 22 ist starr mit dem Hohlrad 19 verbunden.

[0026] Die Figuren 4a bis 4f zeigen mehrere Phasen des Excenterrades 15 mit den Planetenrädern 17 während einer halben Umdrehung der Antriebswelle 12.

[0027] Der Excenter 13 ist zusammen mit dem Wälzlager 14 und dem Excenterrad 15 durch seine rotations-un-symmetrische Form vollständig ausgewuchtet. Das Antriebsmoment bewirkt jedoch eine radiale Belastung der für ein Ritzel dimensionierten Antriebswelle 12. Mehrere, gegeneinander phasenverschobene Excenterräder können diesen Mangel beheben: [0028] Die Figuren 5a bis 5c zeigen eine erfindungsgemäße Ausführung mit 3 Excenterrädern 24, 25, 26, die auf einem Dreifach-Excenter 27 gelagert sind, von denen der mittlere 25 gegenüber den äußeren 24, 26 um 180° phasenverschoben ist. Jedes der Planetenräder 28 wird dabei von den Hohl-Zahnrädern 29 an der Peripherie der Excenterräder beidseitig angetrieben.

[0029] Eine weitere Ausführung zeigen die Figuren 6a bis 6d mit einer Anordnung mit zwei gegeneinander um 180° verdrehten Excenterrädern 30, 31, die ebenfalls radiale Belastungen der Antriebswelle eliminiert, die aber Anzahl und Komplexität der Bauteile verringert. Die Antriebswelle 32 ist starr mit einem 2-fach-Excenter 33 verbunden, der über zwei Wälzlager 34 zwei baugleiche Excenterräder 30, 31 treibt. An der Peripherie der Excenterräder sind halb so viele Hohl-Zahnräder 35 angeordnet, wie Planetenräder 36 vorhanden sind. Durch die Verschränkung beider Excenterräder ineinander kämmen die Planetenräder 36 mit beiden Hohl-Zahnrädern 35 an derselben Axialposition. Dies vermeidet ein Kippmoment an dem 2-fach-Excenter 33 und damit an der Antriebswelle 32. Massenausgleich erfolgt durch die rotations-un-symmetrische Form der axialen Excenterhälften 33, die noch durch Ausgleichsmassen 33a 3/12

Claims (2)

1. österreichisches Patentamt AT509 468B1 2011-09-15 untersagt werden. Darüber hinaus ist die Anordnung identisch mit der Anordnung in den Figuren 3a bis 3c, bestehend also aus einem Hohlrad 37, das starr mit dem Statorträger 39 des Elektromotors 40 verbunden ist, einem Hohlrad 38, das die zweite Anschlusswelle des Getriebes darstellt, einem frei laufenden (Stütz-)Zahnrad 41 sowie die Nadellager 42. [0030] Das Untersetzungsverhältnis u des Getriebes beträgt unter der Voraussetzung, dass die Planetenräder 32 entlang ihrer Achse nur eine Verzahnung besitzen, d. h. überall gleiche Zähnezahl: mit ~z2)*(zi-Z4) z4*(z3+z, -z2) z, Zähnezahl Hohlrad auf Excenterrad 35, z2 Zähnezahl Planetenrad 36, z3 Zähnezahl Hohlrad 37, zA Zähnezahl Hohlrad 38. [0031] Mit den gewählten Verzahnungen in den Ausführungen in Figuren 3 bis 7 fa = 17, z2 = 12, z3 = 96, z4 = 90) ergibt das ein Untersetzungsverhältnis von 1/303. [0032] Eine Untersetzung von 1/1455 erzielt man mit der Ausführung in den Figuren 8a bis 8c, bei der die Differenz zwischen z\ und z2 eins (statt 5 wie oben) beträgt, z3 und z4 bleiben unverändert. Patentansprüche 1. Planeten-Differential-Getriebe mit einer Getriebestufe zur Drehmomentübertragung zwischen einer schnell laufenden, auf der Mittelachse des Getriebes befindlichen Anschlusswelle und langsamer umlaufenden Planetenzahnrädern (Planetenrädern), ungeachtet davon, ob die Planetenräder (7) in mindestens einem Hohlrad (8, 9) kämmen oder auf mindestens einem Zahnrad (10, 11), dadurch gekennzeichnet, dass die schnell laufende Anschlusswelle (12) im Wesentlichen starr mit mindestens einem Excenter (13) verbunden ist, auf dem ein zu jedem Excenter zugehöriges, gegen den Excenter drehbares Excenterrad (15) angebracht ist, das durch den Excenter in eine Kurbelbewegung versetzt wird, wobei das Excenterrad (15) an seiner Peripherie eine Anzahl von verzahnten Elementen wie etwa Hohl-Zahnräder (16) aufweist, die mit dazu passenden verzahnten Elementen der Planetenräder (17) des Planetengetriebes unabhängig von der Winkelstellung des Excenters (der Excenter) dadurch kämmen, dass die Exzentrität des Excenters (der Excenter) im Wesentlichen gleich dem Achsabstand zwischen jedem zusammengehörigen Planetenrad (17) und Hohl- Zahnrad (16) des Excenterrades (15) ist, und dass durch die Kurbelbewegung des Excenterrades um die verzahnten Elemente der Planetenräder und den Zwang der Planetenräder, in einem Planetengetriebe - beispielsweise in der beschriebenen Bauart, in definierterWeise auf mindestens einem Hohlrad (18, 19) bzw. Zahnrad abzuwälzen, Drehmomente zwischen dem Excenterrad (15) und den Planetenrädern (17) übertragen werden.
2. 2. Getriebestufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausführung der Getriebestufe mit zwei Excentern (33) zwei Excenterrädern (30, 31) beide Excenterräder im Wesentlichen baugleich sind und so gestaltet, dass die Hohl-Zahnräder (35) an der Peripherie eines jeden Excenterrades - durch verschränkte Anordnung derselben - mit je der Hälfte der Planetenräder (36) an der gleichen Axialposition der Planetenräder wie die Hohl-Zahnräder des anderen Excenterrades kämmen. Hierzu 8 Blatt Zeichnungen 4/12