CH708783A2 - Wolfrom-Planetengetriebe. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wolfrom-Getriebe, welches bei hohen einstufigen Untersetzungen von i=1000 bis unendlich einen Wirkungsgrad von 95–97% aufweist. Das Wolfrom-Getriebe besteht aus einem Hohlrad (10), dieses dient als Drehmomentstütze, einem Abtriebsrad (11) und einem oder mehreren Planeten (12). Der jeweilige Planet (12) ist mit einem Steg oder einem Sonnenrad antreibbar. Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass die Lager (16) des jeweiligen Planeten (12) so angeordnet sind, dass der Hebel (A) reichend von axialer Mitte des Planeten (12) zum Kraftangriffspunkt zwischen Abtriebsrad (11)/Hohlrad (10) und jeweiligem Planeten (12) zum Hebel (B) reichend vom Kraftangriffspunkt bis zum jeweiligen Lager (16) ein Verhältnis von 1:2, besser sogar 1:3 bis 1:5 beträgt. Dadurch ist das Verkippen durch das Kippmoment, welches der jeweilige Planet (12) durch das Hohlrad (10) und das Abtriebsrad (11) erfährt, in einer Grössenordnung, welche den ordnungsgemässen Zahnradeingriff zwischen Hohlrad (10), jeweiligem Planeten (12) und Abtriebsrad (11) erlaubt.

Description

Beschreibung

[0001 ] Die Exzentergetriebe gehören zu den hochuntersetzenden Getrieben. Dabei kann man 3 Haupttypen unterscheiden: a) die Wolfrom- und Wolfrom-Planetengetriebe, welche mit evolventischer Verzahnung arbeiten; b) die Cyclo- und Akbargetriebe, die mit zykloidischer Verzahnung oder bewegungsform arbeiten und c) das Harmonic-Drive-Getriebe, welches mit einem flexibel verformbaren Abtriebsring arbeitet. Alle Exzentergetriebe haben das gemeinsame Problem, dass der Wirkungsgrad immer schlechter wird, je grösser die Untersetzung i und/oder die Eingangsdrehzahl wird. Nicht selten liegt der Wirkungsgrad solcher Getriebe unter 30%. Daher verwundert es nicht, wenn weiterhin 3- bis 7-stufige und höher stufige Planetengetriebe produziert werden, obwohl sie sehr gross bauen, da ihre Wirkungsgrade trotz mehrerer Stufen immer noch über 75% liegen. So sind beispielsweise in den europäischen Patentanmeldungen EP 2 146 122 und EP 1 244 880 und den darin bezuggenommenen Vorläuferpatentanmeldungen Vorschläge wiedergegeben, die aber keine wirkliche Abhilfe schaffen. Aufgabe dieser Erfindung ist es, die genannte Problematik zu beheben. Dazu werden 3 Lösungen eines hochuntersetzenden Wolfrom- und/oder Wolfrom-Planetengetriebes aufgezeigt, welche auch noch bei hohen einstufigen Untersetzungen von i = 1000 bis unendlich Wirkungsgrade von 95-97% aufweisen, ohne dabei wesentlich mehr Bauraum gegenüber den bisherigen Konstruktionen zu benötigen.

Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung eines Wolfromgetriebes mit aussen liegender Lagerung

Fig. 2 zeigt die schematische Darstellung eines Wolfromgetriebes mit einem zusätzlichen Hohlrad und aussen liegender Lagerung

Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung eines Wolfrom-Planetengetriebes mit 2 Hohlrädern und einem mittleren Abtriebsrad für seitlichen Rotations- oder Schwenkabtrieb

[0002] Der Grund des hohen Wirkungsgradverlustes resultiert aus 2 Problemen, welche am Beispiel in Fig. 1 verdeutlicht werden sollen. Dargestellt sind ein Hohlrad (10), welches als Drehmomentstütze dient, sowie ein Abtriebsrad (1 1 ). Beide haben unterschiedliche Zähnezahlen, z.B. 99 und 100 oder 101 , weisen also nur eine kleine Zähnezahldifferenz von 1 oder 2 Zähnen auf. Die Teilkreise befinden sich jedoch auf dem gleichen Durchmesser, wodurch mindestens eines der beiden Räder profilverschoben ist. Deswegen kann dann auch der Planet (12) in beiden Innenverzahnungen kämmen. Der Planet (12) ist wiederum gelagert an den Stellen (13) oder (14) auf der Welle (15), die wiederum im Steg befestigt ist, der zeichnerisch nicht dargestellt ist, über den aber die gesamte Anordnung angetrieben wird. Bedingt durch die hohe Untersetzung ergibt sich am Abtriebsrad (11 ) ein hohes Abtriebsdrehmoment und damit verbunden ein hohes Kippmoment, was zum Verschränken des Planeten (12) zwischen dem Hohlrad (10) und dem Abtriebsrad (11 ) mit dem doppelten Hebelarm (A) führt. Wenn die Lagerung direkt bei (13) angeordnet ist, unterliegt sie höchsten Belastungen, da Lagerungen generell nur Kräfte und keine Momente aufnehmen können. Sind die Lager bei (14) angeordnet, so wirken zwar durch den kurzen Hebelarm keine Momente, dennoch ist die Lagerbelastung sehr hoch, was zu einer geringen Lagerlebensdauer führt. Ausserdem führt ein schon leichtes Verkippen des Planeten (12) von einigen Minuten zu einem unsauberen Eingriff und Abrollen im Hohlrad (10) und Abtriebsrad (1 1 ). Damit ist klar erkennbar, dass der Wirkungsgrad bedingt durch die falsche Lagerposition in Zusammenhang mit dem daraus resultierenden Verschränken sehr stark sinkt. Erfindungsgemäss wird dieser Umstand dadurch behoben, in dem die Lager mit dem Hebelarm (B) an die Position (16) gelegt werden, wobei das Hebelarmverhältnis A:B mindestens 1 :2, besser sogar 1 :3 bis 1 :5 betragen soll, wodurch die Konstruktion steifer wird und die resultierenden Lagerkräfte wesentlich geringer werden. In diesem Falle ist der Planet (12) fest mit der Welle (15) verbunden. Die Lager (16) sind ihrerseits im Steg angeordnet, der seinerseits die notwendige Steifigkeit und Festigkeit aufweist. Durch diese Anordnung wird ein einwandfreier Eingriff Planet (12)/ Hohlrad (10)/ Abtriebsrad (11 ) gewährleistet, was zu den bei einstufigen Planetengetrieben hohen Wirkungsgraden von 95-97% führt. Sollte der Antrieb statt über den Steg über ein Sonnenrad erfolgen, so ist trotzdem die hier beschriebene Konstruktion mit den ausladenden Lagern im Steg notwendig, da eine fliegende Lagerung des Planeten (12) im Hohlrad (10) und im Abtriebsrad (1 1) ohne Steg immer zu Verschränkung und zu Wirkungsgraddefiziten führt.

[0003] In Fig. 2 ist eine weitere Anordnung zur Wirkungsgradsteigerung bedingt durch eine geschickte Lageranordnung und damit Verschränkungsverhinderung wiedergegeben. Hierbei läuft der Planet (22) - er kann wie dargestellt unterbrochen sein - in 2 Hohlrädern (20), die auseinander liegen, und zusätzlich in einem daneben liegenden Abtriebsrad (21 ). Der unterbrochene Planet (22) ist mit der Welle (23) fest verbunden. Die Lagerung ist an den Stellen (26) aus Gründen der langen Hebelarme vorgesehen. Auch in diesem Falle liegt die Lagerung wieder in einem stabilen und verwindungssteifen Antriebssteg, der hier nicht dargestellt ist. Selbst, wenn die Welle (23) direkt mit dem Steg verbunden wäre, und die Lagerung an den Stellen (24)/(24) oder (24)/(25) direkt unter dem Planeten (22) liegen würde, wäre die Verschränkung weitestgehend unterbunden, und die Anordnung würde trotzdem einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Dennoch ist die Lagerposition (26) aus Steifigkeitsgründen und wegen der Lebensdauer der Lagerung zu bevorzugen. Je weiter aussen die Lager angeordnet sind wie in Fig. 1 , desto besser ist das Laufverhalten und der Wirkungsgrad.

[0004] Eine weitere Lösungsmöglichkeit ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist das Abtriebsrad (32) drehbar zwischen den beiden Hohlrädern (31 ) angeordnet, welche in einem Gehäuse (37) befestigt sind. Das Abtriebsrad (32) muss selbstverständlich im Gehäuse (37) gelagert sein, was aber in der Skizze nicht dargestellt ist. Der Planet (33), der in den Hohlrädern (31)

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Claims (5)

1. und in dem Abtriebsrad (32) kämmt, benötigt hier keine besondere Lagerungsausführung wie in Fig. 1 oder Fig. 2, da lösungsbedingt keine Kippmomente auftreten können. So kann der Planet (33) fliegend ohne Lagerung ausgeführt werden, wenn der Antrieb über die Welle (35) und das Sonnenrad (34) geschieht. Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, den Planten (33) direkt über einen Steg statt des Sonnenrades (34) anzutreiben. Der Abtrieb (C) kann in dieser Version nicht koaxial geschehen, bietet dafür aber 2 andere Möglichkeiten: Einerseits kann das Abtriebsrad (32) am Aussenumfang (38) mit einer Verzahnung für Ketten, Zahnriemen oder dergleichen versehen sein, so dass die Kraftübertragung bei (39) über diese Zugmittel geschieht. Auch ist eine evolventische Aussenverzahnung denkbar, in die bei (39) eine Zahnstange oder eine Abtriebszahnrad zur Drehmomentenübertragung eingreift. Andererseits kann an dem Abtriebsrad (32) auch ein Hebel (39) angebracht sein, um Schwenkbewegungen von bis zu 190° auszuführen, wie es bei Tür- und Torantrieben oder Sitzpositionsverstellungen zum Einsatz kommt. Bei beiden Möglichkeiten muss das Gehäuse (37) an der Stelle (C) offen sein, um die Kraftübertragung nach aussen zu erlauben. Das Gehäuse (37) muss für die Drehmomentsaufnahme entsprechend stabil, also steif und fest ausgelegt sein, damit es nicht innerhalb des Gehäuses (37) zu Torsion kommt, und der Planet mit Schiefstellung in den Hohlrädern (31 ) abläuft, was wiederum zu Wirkungsgradverlusten führen würde. [0005] Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung ist, dass entgegen aller bisherigen bekannten Darstellungen bei WolfromGetrieben alle Verzahnungsteile, also Hohlrad (31 ), Abtriebsrad (32) und Planet (33), ohne Profilverschiebung auskommen, ohne dass die hohe Untersetzung und der hohe Wirkungsgrad dadurch beeinträchtigt werden. Das wird dadurch erreicht, in dem der Planet (33) in 3 Teile aufgeteilt wird, nämlich in die beiden äusseren Planetenteile (33), die in die Hohlräder (31 ) eingreifen, und ein mittleres Planetenteil (36), das in das Abtriebsrad (32) eingreift. Alle 3 Planetenteile (33, 36, 33) sind verdrehsicher miteinander verbunden. Es gilt folgende Regel: Hat der Planetenteil (36) x Zähne mehr als die Planetenteile (33), so muss das Abtriebsrad (32) 2-mal x Zähne mehr haben als die zu den Planetenteilen (33) zugehörigen Hohlräder (31 ). D.h., haben beispielsweise die äusseren Planetenteile (33) 10 Zähne und der mittlere Planetenteil (36) 12 Zähne, dann hat das Abtriebsrad (32) gegenüber den Hohlrädern (31 )4 Zähne mehr, also z.B. 30: 34. Sinnvoll ist es, die Zähnezahldifferenz beim Planeten (33, 36, 33) zwischen 1 und 5 zu wählen, so dass dann eine Hohlrad-Abtriebsrad-Differenz von 2,4,6, 8 oder 10 entsteht. Diese Vorgehensweise ist vor allem nützlich bis notwendig bei allen Verzahnungen, die kein klassisches geradflankiges 15°-25°-Evolventen-Verzahnungsbezugsgrundprofll benutzen. Lässt sich z.B. die 20°-Evolvente fast nach Belieben in beide Richtungen profilverschieben, so erleiden Sonderprofile wie die Wildhaber-Novikov-(WN)-Verzahnung, die doppelte WN-Verzahnung oder die KKB-Verzahnung, also Verzahnungen ohne gerades Zahnflankengrundprofil, bei grösseren Profilverschiebungen erhebliche Konturdefizite, was einen schlechten Eingriff und schlechtes Abroll verhalten zur Folge hat. Dennoch sind diese Sonderverzahnungen wesentlich tragfähiger als die 20°-Evolvente, weswegen sie auch verwendet werden. Die angesprochene Problematik der Profilverschiebung hat sowohl bei der klassischen Evolvente wie auch bei den Sonderverzahnungen in den letzten 40 Jahren Hunderte von Dissertationen und Patentanmeldungen in Bezug auf die Exzentergetriebe hervorgebracht. Auf die hier gezeigte einfache Lösung der Zähnezahlunterschiede bei Planet, Hohlrad und Abtriebsrad ohne Profilverschiebung mit gleicher und auch höherer Untersetzung wurde bisher nicht hingewiesen. Selbstverständlich kann auch das hier Beschriebene analog für die Konstruktionen in Fig. 1 und Fig. 2 angewendet werden. Darüber hinaus ist es auch weiterhin möglich, entsprechend der ausgewählten Zähnezahlen für Hohlrad, Abtriebsrad und Planet - auch in der geteilten Ausführung - wie bisher mit Profilverschiebung zu arbeiten. Patentansprüche 1. Wolfrom-Getriebe gemäss Fig. 1 bestehend aus einem Hohlrad (10), einem Abtriebsrad (1 1 ) und einem oder mehreren Planeten (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb über einen Steg oder ein Sonnenrad geschieht, die Lagerung (16) aber mindestens mit einem Hebel (B) von 2: 1 gegenüber dem Kraftangriffspunkt (A) im Planeten nach aussen im Steg ausgeführt ist, so dass eine Verschränkung des Planeten (12) bedingt durch das Kippmoment zwischen Hohlrad (10) und Abtriebsrad (1 1) ausgeschlossen ist.
2. 2. Wolfrom-Getriebe nach Anspruch 1 und gemäss Fig. 2 bestehend aus 2 auseinander liegenden Hohlrädern (20), einem daneben liegenden Abtriebsrad (21 ) und einem oder mehreren Planeten (22), der/die geteilt sein kann/können, mit aussen liegender im Steg angeordneter Lagerung (26), dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb über einen Steg oder ein Sonnenrad geschieht, wodurch die Verschränkung des geteilten Planeten (22) bedingt durch das Kippmoment zwischen Hohlrad (10) und Abtriebsrad (11 ) ausgeschlossen ist.
3. 3. Wolfrom-Getriebe nach Anspruch 1 oder 2 gemäss Fig. 3 bestehend aus 2 Hohlrädern (31 ), einem dazwischen liegenden Abtriebsrad (32) und einem oder mehreren Planeten (33), dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb über einen Steg oder ein Sonnenrad geschieht, die Planeten (33) bei Antrieb über das Sonnenrad (34) fliegend gelagert sein können, das Abtriebsrad (32) aussen zur Kraftübertragung bei (38) eine Verzahnung oder einen Hebel (39) aufweist, das Gehäuse (37) an der Stelle des Abtriebsrades (C) für die Kraftübertragung nach aussen offen ist.
4. 4. Wolfrom-Getriebe nach Anspruch 1 ,2 oder 3 gemäss Fig. 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (39) eine Schwenkbewegung bis zu 190° ausführen kann, oder bei Aussenverzahnung (38) des Abtriebsrades (32) die Kraftübertragung (C) auf eine Zahnstange, ein paralleles Zahnrad oder über Ketten oder Zahnriemen geschieht.
5. 5. Wolfrom-Getriebe nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4 gemäss Fig. 1 , 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Planet (12, 22, 33) mindestens 2-geteilt (36) sein kann und unterschiedliche Zähnezahlen besitzen kann, wodurch eine 3 Zähnezahldifferenz im Planeten (12, 22, 33 und 36) von 1 , 2, 3, 4, 5 etc. eine Zähnezahldifferenz von Abtriebsrad (1 1 , 21 , 32) zu Hohlrad (10, 20, 31 ) vom Doppelten, also 2, 4, 6, 8, 10 etc. zur Folge hat, um eine Profilverschiebung der Verzahnung zu vermeiden, dennoch aber alle anderen sinnvollen Zähnezahldifferenzen vom geteilten Planeten (12, 22, 33 und 36) und Hohlrad (10, 20, 31) - Abtriebsrad (1 1 , 21 , 32) unter Verwendung von Profilverschiebung auch zugelassen und möglich sind. 4