AT510509B1 - Exzenter-kurvenscheibengetriebe - Google Patents

Abstract

Exzenter-Kurvenscheibengetriebe, bestehend aus einer Antriebswelle (25) mit mindestens einem Exzenter (26), der ebenso viele Kurvenscheiben (27, 28) wie Exzenter in zirkulare Schwingung versetzt. Die Kurven-Kontur jeder Kurvenscheibe (27, 28) berührt eine Anzahl von Wälzkörpern (29, 30), die kreisförmig um die Kurvenscheibe angeordnet und so geformt sind, dass sie bei Bewegung der Kurvenscheiben auf dieser abwälzen ohne zu gleiten, und dabei eine Drehgeschwindigkeit proportional zur Antriebswelle (25) annehmen. Die Wälzkörper (29, 30) sind mit auf gemeinsamer Drehachse liegenden Zahnrädern (31) verbunden. Der Gleichlauf der Wälzkörper ist Voraussetzung für das Kämmen der Zahnräder (31) mit verzahnten Anschlusswellen (32, 33), um gemeinsam und synchron eine dieser Wellen zu treiben, wenn die andere starr mit einem Referenzteil verbunden ist. Durch unterschiedliche Zähnezahlen der Anschlusswellen (32, 33) kann diese Anordnung mittlere bis sehr hohe Untersetzungsverhältnisse erzielen.

Description

österreichisches Patentamt AT 510 509 B1 2013-02-15

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft ein Exzenter-Kurvenscheibengetriebe zur Unter- oder Übersetzung von Drehzahlen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Dieser Getriebetyp kann sehr kompakt ausgeführt werden und erzielt hohe Unter- oder Übersetzungsverhältnisse. Unter bestimmten Voraussetzungen erzielt man gute Wirkungsgrade bei geringem Betriebsgeräusch, ebenso hohe mechanische Belastbarkeit bezogen auf die Abmessungen des Getriebes.

STAND DER TECHNIK

[0002] Den bekannten Getriebearten Harmonie Drive, Differenzial-Exzentergetriebe, Planeten-Differenzial-Getriebe und so genannte Zykloidengetriebe (Cyclo Drive) ist gemeinsam, dass sie hohe Unter- oder Übersetzungsverhältnisse zwischen Antriebs- und Abtriebswelle bei kompakten Abmessungen erzielen können. Dies ist bedeutend beispielsweise für den Einsatz in einem Robotergelenk (integrierte Motor-Getriebe-Einheit), in einer Radnaben-Motor-Getriebe-Einheit zum Antrieb von Elektrofahrzeugen oder in einer Getriebe-Generator-Kombination bei Windkraftwerken. Die genannten Getriebetypen weisen aber auch bestimmte Nachteile auf: [0003] Beim Harmonie Drive liegt die gesamte Abtriebslast auf dem Flexspline, der bekanntlich als flexibler Metalltopf ausgeführt ist. Die Wandstärke dieses Topfes ist durch die Forderung nach Flexibilität begrenzt, schränkt daher auch die Belastbarkeit der Abtriebswelle ein. Außerdem findet die hochlastige Drehmomentübertragung nur in zwei Verzahnungsbereichen statt, nämlich dort, wo sich das Flexspline „ausbeult" - anders als bei Planetengetrieben mit mehr als zwei Planetenrädern.

[0004] Ein Nachteil von Planeten-Differenzial-Getrieben ist die schwer erzielbare Kompaktheit. In heutigen Robotergetrieben soll der Antriebsmotor möglichst im Inneren des Getriebes Platz finden. Planetenräder mit größeren Durchmessern stehen dabei im Weg. Kleinere Planetenräder dagegen sind vom koaxialen Antriebsritzel des Elektromotors nicht erreichbar, weil das Antriebsritzel keinen größeren Durchmesser haben darf als die Planetenräder.

[0005] In Punkto Belastbarkeit bei gegebenem Bauvolumen sind Zykloidengetriebe vorteilhaft, weil die Abtriebslast auf eine Vielzahl von Rollen aufgeteilt ist, welche kreisförmig um die Kurvenscheibe angeordnet sind (DE 4419432, US 1773568). Auch wenn immer nur ca. ein Drittel der Rollen einer Kurvenscheibe zur Lastübertragung zur Verfügung steht und die Belastung unsymmetrisch ist. Lastsymmetrie wird ggf. durch nebeneinander angeordnete und gegeneinander verdrehte Kurvenscheiben hergestellt.

[0006] Der Umstand, dass nur ca. ein Drittel der Rollen an einer Kurvenscheibe von Zykloidengetrieben Last tragend ist, wird aus der Analogie der Paarung Rollen -Kurvenscheibe, verglichen mit der Paarung zweier herkömmlicher, miteinander im Eingriff befindlicher Zahnräder (Evolventenverzahnung, Zykloidenverzahnung) ersichtlich: Eine relativ zur Kurvenscheibe exzentrisch drehende Rolle des Zykloidengetriebes kann als ein Planeten-Zahnrad mit z=1 gesehen werden ohne Eingriffsmöglichkeit auf der Rückseite, die dazu passende Kurvenscheibe als ein Zahnrad mit sehr großem Normaleingriffswinkel. Zu große Normaleingriffswinkel führen bei Verzahnungen zu einer Reduktion des Überdeckungsgrades auf weit unter 1. Dies gilt gleichermaßen für Zykloidengetriebe (DE 4419432), bei denen die Kurvenscheibe exzentrisch rotiert, als auch für Planetengetriebe mit Planeten-Zahnrädern z=1 wie in der Patentschrift RU 2338105. Die Kompensation des zu kleinen Überdeckungsgrades erfolgt bei Zykloidengetrieben - wie schon erwähnt - durch mehrere Kurvenscheiben nebeneinander und beim Planetengetriebe nach RU 2338105 durch Winkelversatz nebeneinander liegender Scheiben (die den Rollen beim Zykloidengetriebe entsprechen) um eine exzentrische Achse. Strebt die Scheibendicke (mathematisch) gegen Null, kommt man auf ein schräg verzahntes Zahnrad mit der Zähnezahl 1.

[0007] Ein Nachteil von Zykloidengetrieben und gleichermaßen von Planetengetrieben des 1 /23 österreichisches Patentamt AT 510 509 B1 2013-02-15

Typs in der Schrift RU 2338105 ist aber der Umstand, dass die kämmenden „Zahnräder" mehr gleiten als abwälzen. Jedenfalls ist der gleitfreie Eingriffsbereich auch bei optimaler Dimensionierung sehr begrenzt. Bei Zykloidengetrieben des Typs in DE 4419432 ist dies durch (aufwändige) Wälzlagerung jeder einzelnen Rolle behebbar, bei Zykloidengetrieben des Typs in US 1773568 und beim Planetengetriebe des Typs in RU 2338105 dagegen nicht - es hilft nur Schmierung und erhöhter Energieeinsatz. Die Zykloidengetriebe der Firma Sumitomo sind mit aufwändigen Ölschmierungen samt Schauglas und vorgeschriebenen Wartungsintervallen ausgestattet.

[0008] Ein weiterer Nachteil von Zykloidengetrieben ist der ungleichförmige Lauf der Rollen bei erzwungenem Abwälzen, der bestimmte Anwendungen dieses Getriebetyps einschränkt.

AUFGABENSTELLUNG

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst kompaktes, hoch belastbares Unter- bzw. Übersetzungsgetriebe bereitzustellen, das Gleitreibung vermeidet und Raum sparend in einer integrierten Motor-Getriebe-Einheit bzw. Getriebe-Generator-Einheit einsetzbar ist.

[0010] Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein Exzenter-Kurvenscheiben-Getriebe so gestalten, dass eine Kurvenscheibe, die frei drehbar auf einem Exzenter gelagert ist und zirkular um eine Antriebsachse schwingt, Wälzkörper antreibt, die kreisförmig um die Kurvenscheibe angeordnet sind. Diese Anordnung ist zunächst identisch mit Zykloidengetrieben der oben angeführten Art. Hier wird jedoch eine geometrische Form der Paarung Wälzkörper-Kurvenscheibe gesucht, die beim Antrieb des Exzenters samt Kurvenscheibe ein gleitreibungsfreies Abrollen der Wälzkörper auf der Kurvenscheibe hervorruft, die außerdem zu einer proportionalen Drehgeschwindigkeit der Wälzkörper um jeweils ihre Hauptachse im Verhältnis zur Drehgeschwindigkeit der Exzenter-Antriebswelle führt.

[0011] Diese Proportionalität soll dazu genutzt werden, jeden Wälzkörper mit je einem Plane-ten-Zahnrad eines Planetengetriebes auf gemeinsamer Drehachse starr zu verbinden. Die Planetenräder kämmen dann im Gleichlauf mit mindestens einem Hohlrad und/oder mit mindestens einem Sonnenrad und bewirken zwischen diesen eine Drehzahldifferenz. Die Differenz könnte dann beispielsweise das Hohlrad antreiben, wenn das Sonnenrad starr mit einem Referenzteil verbunden ist.

[0012] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

[0013] Zu Anspruch 1: [0014] Der besondere technische Effekt der Erfindung liegt darin, dass erstmals eine Geometrie für eine gleitreibungsfreie Paarung zwischen einer exzentrisch bewegten Kurvenscheibe und Wälzkörpern gefunden wurde, die ohne den Einsatz von Wälzlagern an den Wälzkörpern zustande kommt. Diese Eigenschaft ermöglicht den schmierelosen Betrieb bei geringer Abnutzung sowie einen hohen Wirkungsgrad der ersten Getriebestufe. Schmiereloser Betrieb mit einer Kurvenscheibe beispielsweise aus Kunststoff lässt auch hervorragende Geräuscharmut erwarten, selbst bei hohen Excenterdrehzahlen der Kurvenscheibe.

[0015] Zu Anspruch 2: [0016] Ein weiterer besonderer Effekt liegt in der Proportionalität der Drehbewegung der Wälzkörper zur Excenterdrehzahl. Dies vermeidet Schwingungen (Geräusche) und vor allem wird die starre Kopplung an Planetenräder eines Planetengetriebes möglich, die sich bei konstanter Antriebsdrehzahl ja gleichförmig und immer synchron bewegen. Die Kopplung an ein Planetengetriebe als zweite Getriebestufe ist zwar auch auf andere Art möglich, etwa, indem ein Antriebsritzel mit den Planeten kämmt, jedoch nicht so Platz sparend. Ein etwaiges Antriebsritzel sollte bei einem Untersetzungsgetriebe einen kleineren Teilkreisdurchmesser aufweisen als die Planeten. Dieser Umstand erfordert Planetenräder mit so großen Durchmessern, dass innerhalb der Planetenräder kein Platz mehr bleibt für einen Antriebsmotor für eine integrierte Motor- 2/23 österreichisches Patentamt AT 510 509 B1 2013-02-15

Getriebe-Einheit.

[0017] Zu Anspruch 3,4: [0018] Die Führung der Rollen, wenn diese außerhalb der Kurvenscheibe liegen, erfolgt bei Zykloidengetrieben i. A. durch Gleitlagerung an einem peripheren Ring, der die Rollen teilweise umschlingt. Die Wälzkörper der hier vorliegenden Erfindung benötigen diese Führung nicht und werden unter Außerachtlassung der starren Verbindung mit den Planetenzahnrädern eines Planetengetriebes zunächst als schwimmend bezeichnet. Erst die starre Verbindung zu den Planetenrädern definiert Lage und Ausrichtung der Wälzkörper. Bei hoher Fertigungspräzision benötigen auch die Planetenräder keinen sonst üblichen Lagerkäfig oder auch nur Wälzlager.

[0019] Die Anzahl der Wälzkörper wird wie auch beim Zykloidengetriebe durch die Wellenzahl (Zähnezahl) der Kurvenscheibe bestimmt. Weil das hier zu beurteilende Kurvenscheiben-Getriebe Kurvenscheiben nur in der ersten, schnell laufenden Getriebestufe besitzt, also in diesem Bereich keinem großen Drehmoment ausgesetzt ist, kann man die Zahl der Wälzkörper auf vorteilhafte Weise reduzieren. Diese Reduktion verringert auch die für ein bestimmtes Untersetzungsverhältnis notwendige Zähnezahl der angeschlossenen Planetengetriebe-Stufe, wenn diese als Differenzial-Getriebe-Stufe ausgeführt ist.

[0020] Zu Anspruch 5: [0021] Eine weitere Besonderheit der Erfindung ist die Möglichkeit, durch Festlegung bestimmter Durchmesserrelationen die Kurvenscheiben in eine unveränderliche Winkelstellung zu zwingen, so dass diese nur mehr kreisförmig oszillieren (ohne sich zu drehen). Dies erlaubt die Durchführung von Kabelsträngen etc. außerhalb des innen liegenden Antriebsmotors durch eine Öffnung in den Kurvenscheiben. FIGURENÜBERSICHT [0022] Figur 1a bis 1d [0023] Figur 2a und 2b [0024] Figur 3a und 3b [0025] Figur 4 [0026] Figur 5a bis 5d [0027] Figur 6a bis 6d [0028] Figur 7a bis 7c zeigt drei Ansichten und einen Längsschnitt (Section Cut) durch ein herkömmliches einstufiges Zykloidengetriebe, jedoch mit Wälzlagern so aufbereitet, dass keine Gleitreibung auftritt. zeigt zwei Ansichten zweier um 180° versetzter Kurvenscheiben für ein herkömmliches Zykloidengetriebe. zeigt eine Ansicht und eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäß gleitreibungsfreien Wälzkörper-Kurvenscheiben-Paarung. erbringt in 10 zeitlich aufeinander folgenden Momentaufnahmen den graphischen Nachweis einer gefundenen gleitreibungsfreien Wälzkörper-Kurvenscheiben-Paarung für außen liegende Wälzkörper, die sich relativ zur Kurvenscheibe entlang einer Epizykloide bewegen. zeigt vier Ansichten einer erfindungsgemäßen einstufigen Getriebeanordnung, in der die Wälzkörper starr mit Planetenrädern verbunden sind, und der Abtrieb auf die gleiche Weise erfolgt wie im Zykloidengetriebe in Figur 1a bis 1d. zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht, einen Halbschnitt, einen Längsschnitt (Section Cut) und eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen 2-stufigen Getriebeanordnung mit zwei um 180° versetzten Kurvenscheiben. Figur 6a wird in die Zusammenfassung der Patentanmeldung übernommen. zeigt zwei Ansichten und einen Längsschnitt eines nicht gleitreibungsfreien zweistufigen Zykloidengetriebes mit vergleichbaren Eigenschaften zu der erfindungsgemäßen Anordnung in Figur 6a bis 6d. 3/23 österreichisches Patentamt AT510 509 B1 2013-02-15 [0029] Figur 8 zeigt den Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße, sehr Platz sparende Ausführung einer integrierten Motor-Getriebe-Einheit unter Einsatz eines herkömmlichen Elektromotors.

[0030] Figur 9a und 9b zeigt zwei teilweise geschnittene Ansichten der Motor-Getriebe-

Einheit aus Figur 8.

[0031] Figur 10 ist eine Explosionszeichnung der Motor-Getriebe-Einheit aus

Figur 8 [0032] Die Figuren 11 bis 15 [0033] Figur 16 [0034] Figur 17 [0035] Figur 18 [0036] Figur 19 illustrieren die nicht ganz triviale Montage-Reihenfolge der Motor-Getriebe-Einheit aus Figur 8. zeigt im Längsschnitt die Erfindung als Lenkungs-Überlagerungsgetriebe mit einer invertierten Kurvenscheibe und innen liegenden Wälzkörpern, die sich relativ zur Kurvenscheibe entlang einer Hypozykloide bewegen. zeigt die teilweise geschnittene Ansicht des Getriebes aus Figur 16. veranschaulicht die gleitreibungsfreie Paarung invertierte Kurvenscheibe - innen liegende Wälzkörper mit Hypozykloide gemäß der Ausführung in Figur 16. ist eine Explosionszeichnung des Lenkungs-Überlagerungsgetriebes aus Figur 16.

NÄHERE BESCHREIBUNG UND AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

[0037] Zykloidengetriebe bestehen im Wesentlichen aus einer schnell laufenden Antriebswelle 1 (Figur 1) als Kurbelwelle ausgeführt mit einem Kurbelzapfen, gleichbedeutend einem Excenter 2, einer am äußeren Rand welligen Kurvenscheibe 3, die auf dem Kurbelzapfen oder Excenter drehbar gelagert ist. Die Randkontur dieser Kurvenscheibe besteht aus gleichen Abschnitten, deren Form von einer Zykloide (oder Trochoide) abgeleitet ist - es ist die Äquidistante einer verkürzten Epi- oder Hypozykloide.

[0038] An der Randkontur der Kurvenscheibe ist konzentrisch zur Antriebswelle ein Lagerkäfig 4 angeordnet, der Teil des ortsfesten Getriebegehäuses ist. Dieser Lagerkäfig trägt zueinander äquidistante und in einer genau definierten Anzahl Rollen 5. Die Abtriebswelle 6 ist konzentrisch zur Antriebswelle 1 und trägt eine Scheibe mit einer Anzahl gelagerter Mitnehmerbolzen 7. Diese greifen in ebenso viele Bohrungen der Kurvenscheibe 8 exzentrisch ein und übertragen die exzentrische Rotation der Kurvenscheibe auf die Abtriebswelle 6.

[0039] Bei Rotation der Kurbelwelle wälzen die Rollen an der Kurvenscheibe ab, werden gleichzeitig durch den ortsfesten Lagerkäfig 4 zurückgehalten, bewegen daher die Kurvenscheibe und über die Mitnehmerbolzen 7 die Abtriebswelle.

[0040] Die Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle ist dabei proportional zur Winkelgeschwindigkeit der Antriebswelle. Diese Eigenschaft resultiert aus dem geometrischen Zusammenhang zwischen der kreisförmigen Bewegung der Kurbelwelle und der Zykloidenform der Kurvenscheibe. Nicht proportional ist jedoch die Winkelgeschwindigkeit der Rollen um ihre eigene Achse: Die Rollen führen bei gleichförmigem Umlauf des Lagerkäfigs eine überlagerte Drehschwingung aus. Dabei sind die Drehschwingungen aller Rollen der Anordnung gegeneinander phasenverschoben. Bei Zykloidengetrieben mit mehr als nur einer Kurvenscheibe - meist werden zwei Kurvenscheiben auf zwei um 180° versetzten Exzentern eingesetzt 9, 10 (Figur 2), wobei jede Rolle gleichzeitig in beide Kurvenscheiben eingreift - kommt es wegen der Phasenverschiebung zu einem periodischen Wechsel zwischen Abwälzen und Gleiten. Diese - Vibrationen hervorrufende - Eigenart kann nur durch eine Trennung und unabhängige Lagerung der Rollenhälften 11,12 behoben werden, was bei den handelsüblichen Ausführungen durch Gleitbuchsen auf einem gemeinsamen Bolzen einigermaßen erreicht wird. Oder durch den Einsatz 4/23 österreichisches Patentamt AT 510 509 B1 2013-02-15 von Kurvenscheiben mit Abschnitten verlängerter Hypozykloiden (dort wo besser Epizykloiden sein sollten) zusammen mit ausreichender Schmierung.

[0041] Die hier vorgestellte Erfindung ist auf schwingende Gleitkörper nicht angewiesen. Mit dem Ersatz der peripheren Rollen durch bestimmte Wälzkörper, werden die Drehschwingungen gänzlich vermieden: Mittels ellipsenähnlicher Wälzkörper (Ovoide, Nocken) statt der Rollen -gepaart mit einer speziellen Kurvenscheibe - die beim Abrollen Proportionalität zwischen allen in der Anordnung auftretenden Drehbewegungen gewährleisten. Solche Paarungen konnten empirisch gefunden werden und sind in Figur 3a und 3b sichtbar.

[0042] In Figur 3b ist der zeitliche Ablauf zwischen Nocken 13 und Kurvenscheibe 14 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde die Kurvenscheibe als fest angenommen und die Relativbewegung der Nocken zur Kurvenscheibe während eines Kurbelumlaufes dargestellt. Die Mittelpunkte der Nocken bewegen sich dabei auf einer verkürzten Epizykloide 17.

[0043] Nicht überraschend ist, dass die neue Kurvenscheibe keine Zykloidenform aufweist -Zykloiden entstehen bekannter Weise beim Abrollen von kreisförmigen Gebilden, wie es die Rollen von Zykloidengetrieben sind. Wälzkörper wie Ovoide oder Nocken dagegen führen zu von Zykloiden abweichenden Kurventypen. Am ehesten könnte man die Kurvenform als Spiegelung einer verkürzten Zykloide an einem Kreis beschreiben. Für die Kennzeichnung des im Weiteren beschriebenen Getriebetyps wird aus diesem Grund der neutrale und übergeordnete Begriff „Kurvenscheibengetriebe" verwendet.

[0044] In Figur 4 wird durch Überlagerung einer virtuellen „Sekundärverzahnung" 18 über Kurvenscheibe und Nocken die Abwälzbewegung und damit die Gleitreibungsfreiheit der Nocken dokumentiert.

[0045] Das Wegfallen der Drehschwingungen und dadurch unsynchronen Laufes erlaubt (nicht unbeabsichtigt) eine Kopplung der Nocken 20 (Figur 5c) mit Zahnrädern 21, welche zur Weiterleitung des Drehmoments an weitere Getriebestufen dienen können. Zunächst zeigt die Figur 5a bis 5d das Pendant des hier zu bewertenden Kurvenscheibengetriebes zum Zykloidengetriebe in Figur 1a bis 1d. Die Drehmomentübertragung erfolgt von den Nocken 20 auf die Zahnräder 21 und weiter auf das ortsfeste Hohlrad 22. Die Abtriebswelle 23 besitzt wie das Zykloidengetriebe in Figur 1a bis 1d eine Scheibe mit Mitnehmerbolzen 24. Trotz des Fehlens externer Wälzlager an der Peripherie der Kurvenscheibe wird Gleitlagerung vermieden. Die Vorteil-haftigkeit der neuen Anordnung fällt ansonsten eher bescheiden aus, stellt man den Herstellungsaufwand für Rollen mit Wälzlagern - Nocken mit Zahnrädern samt verzahntem Hohlrad gegenüber.

[0046] Anders in der Ausführung gemäß Figur 6a bis 6d.

[0047] Allgemein bekannt ist, dass jedes Differenzialgetriebe 3 Anschlusswellen besitzt. Beim Einsatz als Untersetzungsgetriebe ist dann eine Welle ortsfest (starr mit dem Gehäuse verbunden) und die beiden verbleibenden dienen dem An- und Abtrieb. Das Vertauschen von An- und Abtriebswelle bei Getrieben ohne Selbsthemmung macht aus einem Untersetzungsgetriebe ein Übersetzungsgetriebe.

[0048] Die Ausführung in Figur 6a bis 6d ist ein zweistufiges Untersetzungsgetriebe, das dem Getriebe aus Figur 5a bis 5d ähnelt. Wie auch bei Zykloidengetrieben üblich, wurden hier zwei um 180° verdrehte Kurvenscheiben 27, 28 eingesetzt - bekannter Weise ergibt sich dadurch eine Symmetrierung der Last. In der ersten Getriebestufe sind die nebeneinander liegenden Kurvenscheiben im Eingriff mit je zwei auf gemeinsamer Achse liegenden Nocken 29, 30 (Figur 6a), die gegeneinander um 90° versetzt sind. Das innen verzahnte Hohlrad 22 aus Figur 5c wurde nun durch 2 koaxiale und nebeneinander liegende Hohlräder 32, 33 ersetzt, die mit den Nocken-Zahnrädern 29, 30, 31 kämmen. Eines der beiden Hohlräder wird als ortsfest betrachtet, das andere repräsentiert die Abtriebswelle. Durch die ungleichen Zähnezahlen der beiden Hohlräder ergibt sich im Betrieb eine Relativbewegung zwischen ortsfestem und dem anderen Hohlrad. Die Nocken-Zahnräder 29, 30, 31 besitzen aus fertigungstechnischen Gründen nur eine durchgehende Verzahnungsgeometrie, die unterschiedlichen Zähnezahlen der beiden mit 5/23 österreichisches Patentamt AT 510 509 B1 2013-02-15 den Nocken-Zahnrädern kämmenden Hohlräder 32, 33 werden durch Profilverschiebung erreicht (Detailansicht, Figur 6d).

[0049] Die zentrale Abtriebswelle 23 mit den Mitnehmerbolzen 24 aus der einstufigen Ausführung entfällt bei der zweistufigen Variante.

[0050] Ein Vergleich mit einem zweistufigen Zykloidengetriebe (Figur 7a bis 7c) entsprechend dem aus der Veröffentlichung DE 19722399 - praxistauglich um 2 Kurvenscheiben erweitert -hebt die Einfachheit und den geringen Platzbedarf des Konzepts aus Figur 6a bis 6d hervor. Das Zykloidengetriebe mit 4 Kurvenscheiben 34 bis 37 verschwendet u. A. viel Platz für die (notwendige) drehsteife Verbindung 38 zwischen Kurvenscheibe 34 und Kurvenscheibe 37.

[0051] Um das Prinzip des erfindungsgemäßen Kurvenscheibengetriebes darzustellen, wurden bis hier schematische Ausführungen dargestellt, ohne besondere Rücksicht auf Zusammen-baubarkeit, bestimmte Lagerungen wurden weggelassen, die axiale Sicherung der Wälzlager vernachlässigt.

[0052] Die folgenden beiden Ausführungen (Figuren 8-19) zeigen dagegen detailreichere Anordnungen der Erfindung: [0053] Ein Elektromotor 39 in den Figuren 8, 9, 11 und 12 treibt über seine Abtriebswelle 40 und einen starr damit verbundenen Doppelexzenter 41 zwei Kurvenscheiben 42. Diese treiben erfindungsgemäß eine Anzahl von Nocken-Zahnräder 43. Die beiden Anschlusswellen 44, 45 kämmen mit ihrer Außenverzahnung mit den Nocken-Zahnrädern 43. Die Anschlusswelle 44 ist durch Verschraubung starr mit dem Elektromotor verbunden und gegen die Anschlusswelle 45 mit einem Nadellager 46 radial gelagert. Die Nocken-Zahnräder 43 besitzen Lagerringe 48 mit mehreren Funktionen: Sie dienen zur radialen Lagerung der Nocken-Zahnräder gegen die Anschlusswellen 44, 45 und zur axialen Lagerung der Anschlusswellen. Zusammen mit einem außen liegenden Stützring 47 wird durch die Lagerringe ein Abheben der Nocken-Zahnräder von den Verzahnungen der Anschlusswellen 44, 45 verhindert.

[0054] Dieser Stützring 47 besitzt eine Innenverzahnung, die mit den Nocken-Zahnrädern kämmt. Die Verzahnung ist für die Funktion nicht unbedingt erforderlich, erhöht die Belastbarkeit des Getriebes jedoch wesentlich. Sie nimmt die Torsions- und Abscher-Belastung von den Nocken-Zahnrädern, weil das Drehmoment zwischen den Anschlusswellen dadurch hauptsächlich über den Stützring und nicht über den schlanken Querschnitt der Nocken-Zahnräder wirkt. Als begrenzenden Faktoren verbleiben für die Nocken-Zahnräder nur die Zahn-Abscherung und die Hertz'sche Pressung, eine Vergrößerung der Zahnradbreite kann dem entgegen wirken. Zahnräder aus Kunststoff sind möglich.

[0055] Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung, der einzigartig für zweistufige Untersetzungsgetriebe sein dürfte, ist im konkreten Beispiel die Durchgriffsmöglichkeit der Anschlusswelle 44 durch die Kurvenscheiben 42. Dies ist dann möglich, wenn die Kurvenscheiben bei ihrer zirkularen Schwingung ihre Ausrichtung gegenüber einer der Anschlusswellen (hier 44) nicht ändern - andernfalls käme es zu einer Kollision mit der Anschlusswelle 44. Voraussetzung dafür ist die Gleichheit zwischen: [0056] · Verhältnis des Kurvenumfanges der Kurvenscheibe zum Kurvenumfang der Wälzkör per 43 in der ersten Getriebestufe [0057] · Teilkreisverhältnis gleich Zähnezahlverhältnis Nocken-Zahnrad zu Verzahnung An schlusswelle 44.

[0058] Dieser Vorteil lässt sich bei Robotergelenken zur Durchführung von Kabelsträngen, Hydraulik- oder Pneumatikleitungen nutzen. Die sonst übliche Methode, um Stränge durch ein Robotergelenk zu führen, ist das Gestalten der Motor-Abtriebswelle als Hohlwelle, die dann zur Durchführung dient. Dies hat jedoch zur Folge, dass sich der Motor radial vergrößert mit Folgen für Platzbedarf und Gewicht des Motors sowie für das Trägheitsmoment der rotierenden Teile. Elektromotoren ohne Hohlwelle sind außerdem günstiger herstellbar. 6/23 österreichisches Patentamt AT 510 509 B1 2013-02-15 [0059] Die Figur 9a und 9b zeigt auch die Enden eines (kollisionsfrei) durchgeführten Kabel stranges 49.

[0060] Die Figur 10 beinhaltet die Explosionszeichnung der Anordnung, die Figuren 11 bis 15 dokumentieren den Zusammenbau der Komponenten: [0061] Figur 11: Verschraubung von Antriebsmotor 39 mit Anschlusswelle 44.

Bereitstellen Kurvenscheiben 42.

[0062] Figur 12a und 12b: Anbringen der Kurvenscheiben 42. Einsetzen Positionierstifte 50 in dafür vorgesehenen Bohrungen an den Kurvenscheiben 42 und an der Anschlusswelle 44. Ansetzen der Montagehilfe 51 an Positionierstifte 50. Bereitstellen Nocken-Zahnräder 43.

[0063] Figur 13: Einsetzen der Nocken-Zahnräder 43, Sichern mit Gummiring 52.

Aufschieben des Stützringes 47 so weit, dass die Lagerringe 48 gerade noch auf die Nocken-Zahnräder 43 aufgefädelt werden können.

[0064] Figur 14: Aufschieben des Stützringes 47 gemeinsam mit den Lagerringen 48 bis zum Anschlag. Bereitstellen des Nadellagers 46 und der Anschlusswelle 45.

[0065] Figur 15: Bereitstellen und Anbringen der Schrauben 53 mit den Abschluss-

Lagerringen.

[0066] Die zweite detailreichere Ausführung des Getriebes ist ein Lenkwinkel-Aktuator für Fahrzeuge (Figuren 16 bis 19). Hier wird belegt, dass statt der Kurvenscheibe mit außen liegenden Wälzkörpern (wie bisher beschrieben) auch ein Kurvenring 59 mit innen liegenden Wälzkörpern 61 die Abrollbedingung erfüllen kann. Den Kurvenring kann man zweckmäßigerWeise auch als inverse Kurvenscheibe bezeichnen. Der Schwerpunkt der Wälzkörper 61 bewegt sich dabei relativ zu dem für diese Betrachtung als ortsfest angenommenen Kurvenring 59 auf einer verkürzten Hypozykloide 68.

[0067] Konzentrisch zur lenkradseitigen Lenkwelle 54 sitzt der Stator 55 eines Elektromotors, der mit einer Lasche 56 gegenüber der Fahrzeugkarosserie drehsteif gelagert ist. Der Rotor 57 umfasst mit seiner Hohlwelle die Lenkwelle 54 und ist auf dieser gelagert. Teil der Hohlwelle sind zwei Exzenter 58, welche über zwei Wälzlager die Kurvenringeinheiten 59, 60 antreiben. Die Kurvenringe wirken auf die Wälzkörper der Nocken-Zahnräder 61. Die zweiteilige Anschlusswelle 62 ist über eine Verschraubung 63 und eine Verdrehsicherung 64 mit der lenkradseitigen Lenkwelle 54 verbunden und weist eine Innenverzahnung auf, die mit den Nocken-Zahnrädern 61 kämmt. Die zweite Anschlusswelle 65 besitzt ebenfalls eine Innenverzahnung -mit unterschiedlicher Zähnezahl im Vergleich zur Anschlusswelle 62 -und stellt die vorderachs-seitige Lenkwelle dar. Sie besitzt mindestens eine Montagebohrung 66 zur Verschraubung der Nocken-Zahnräder 61. Der außen verzahnte Stützring 67 dient -wie schon in der vorigen Ausführung beschrieben - zur Lagerung und Entlastung der Nocken-Zahnräder 61.

[0068] (Die für den stromlosen (Not-) Betrieb der Lenkung - beim Einsatz nicht selbst hemmender Getriebe - erforderliche elektromagnetische Feststell-Bremse am Rotor des Elektromotors wurde nicht dargestellt.) [0069] Die Funktionsbeschreibung des Lenkwinkel-Aktuators kann man der Patentschrift DE 102004021475 entnehmen. Vergleichsweise ist die hier dargestellte Ausführung wegen des Wegfallens eines Planetenkäfigs kompakter und einfacher. Eine weiterer Lenkwinkel-Aktuator desselben Patentinhabers (oder eines seiner Partner) ist zwar ebenso kompakt wie die hier vorgestellte Ausführung, benutzt aber ein Harmonie Drive als Getriebe, das durch sein Flexspli-ne und seine höhere Zähnezahl aufwändiger in der Herstellung ist und weniger belastbar. 7/23

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT 510 509 B1 2013-02-15 Patentansprüche 1. Exzenter-Kurvenscheibengetriebe, bestehend aus mindestens einer Kurvenscheibe (14) oder mindestens einem Kurvenring (59), gleichbedeutend einer inversen Kurvenscheibe, mit einer welligen Kurve als Aussen- (14) oder Innenkontur (59), auf je einem Exzenter (16, 58) der Getriebe-Anschlusswelle (15, 57), dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Wälzkörpern (13, 61) an den axialen Extrusionsflächen dieser Aussenil 4) oder Innenkontur (59) abrollt, wenn die Anschlusswelle (15, 57) rotiert, wobei die spezielle geometrische Form der Paarung Wälzkörper (13,61)-Kurvenscheibe (14, 59) eine im Wesentlichen proportionale Drehgeschwindigkeit des Wälzkörpers um seine Hauptachse zur Drehgeschwindigkeit der Anschlusswelle (15, 57) hervorruft.
2. 2. Exzenter-Kurvenscheibengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wälzkörper (29, 30) im Wesentlichen starr mit mindestens einem auf gemeinsamer Drehachse liegenden Zahnrad (31) zu einem Nocken-Zahnrad (29, 30, 31) verbunden ist, das mit mindestens einem angrenzenden Zahn- oder Hohlrad (32, 33) kämmt.
3. 3. Exzenter-Kurvenscheibengetriebe nach den vorigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken-Zahnräder (29, 30, 31) zunächst schwimmend angeordnet und im Wesentlichen durch die Kurvenscheiben (27,28) und die angrenzenden Zahn- bzw. Hohlräder (32, 33) geführt sind, wobei die Anzahl der Wälzkörper für die Kurvenscheibe um 1 größer ist als die Wellenzahl der Kurvenscheibe (27,28) oder ein ganzzahliger Bruchteil davon bzw. für die inverse Kurvenscheibe (59) um 1 kleiner ist als die Wellenzahl der inversen Kurvenscheibe oder ein ganzzahliger Bruchteil davon.
4. 4. Exzenter-Kurvenscheibengetriebe nach den vorigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Nocken-Zahnräder (43) mit zwei verzahnten Anschlusswellen (44,45) unterschiedlicher Zähnezahl kämmen, wodurch eine Relativbewegung zwischen diesen Anschlusswellen möglich ist.
5. 5. Exzenter-Kurvenscheibengetriebe nach den vorigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdrehung der Kurvenscheiben (42) gegen eine der Anschlusswellen (44) durch ein gleiches Verhältnis von Zähnezahl Nocken-Zahnrad (43) zu Zähnezahl Anschlusswelle (44) und Umfang Wälzkörper Nocken-Zahnrad (43) zu Umfang der Kurvenscheibe (42) verhindert wird. Hierzu 15 Blatt Zeichnungen 8/23