DE10002798A1 - Getriebe mit Rollelementen - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Getriebe mit mindestens zwei Rädern (24, 30). Mindestens ein Rad (24) hat drehend gelagerte Rollelemente (28), die beim Eingriff mit den Eingreifelementen (32) des anderen Rades (30), vorzugsweise schalenförmige Ausnehmungen (32), eine Drehbewegung ausführen. Durch die Verwendung von Rollelementen (28) wird die Reibung im Getriebe vermindert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe mit mindestens zwei Rädern, wobei jedes Rad Eingreifelemente hat, die bei der Drehung der Räder miteinander in Eingriff ge­ langen.

Bei bekannten Getrieben erfolgt die Kraftübertragung vom treibenden zum ange­ triebenen Rad durch gegenseitig eingreifende Zähne, welche mit den Rädern fest verbunden sind. Als Räder werden beispielsweise Stirnzahnräder, Schraubzahn­ räder, Kegelzahnräder und Schneckenzahnräder verwendet. Die Zähne haben bei ihrem gegenseitigen Eingriff Eingreifflächen, die gegeneinander an den Zahnflan­ ken gleiten, wobei Reibung überwunden werden muß. Bei diesem Gleitvorgang treten verschiedenartige Probleme auf, beispielsweise eine hohe Geräuschbil­ dung, ein Zahnradverschleiß, Verlustenergie infolge der Reibung, hohe Erwär­ mung bei hohen Leistungen etc. Hinzu kommt, daß die Herstellung von Zahnrä­ dern technisch sehr aufwendig ist; eine hohe Präzision kann nur mithilfe teurer Spezialmaschinen erreicht werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Getriebe anzugeben, das die im Zusammen­ hang mit herkömmlichen Getrieben vorhandenen Probleme überwindet, das ge­ ringe Reibungsverluste und eine geringe Geräuschentwicklung hat.

Diese Aufgabe wird für ein Getriebe mit mindestens zwei Rädern dadurch gelöst, daß die Eingreifelemente mindestens eines Rades als drehend gelagerte Roll­ elemente ausgebildet sind, die beim Eingriff mit den Greifelementen des anderen Rades eine Drehbewegung ausführen.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß Rollelemente, die eine Drehbewe­ gung um die eigene Achse ausführen und sich damit beim Eingriff abrollen, auf­ grund der Rollreibung geringe Reibungsverluste hat. Demzufolge werden die Be­ rührungsflächen von Eingreifelement und Rollelement nur gering beansprucht; es entsteht verringerter Verschleiß. Dadurch ergibt sich ein geringer Geräuschpegel des Getriebes. Die Schmierung der Eingreifelemente kann verringert werden und es können hohe Leistungen übertragen werden, ohne daß eine hohe Verlustlei­ stung anfällt. Vorzugsweise werden als Rollelemente zylinderförmige Rollen oder Kugeln verwendet. Diese Bauteile können mit hoher Präzision relativ einfach her­ gestellt werden, so daß ein Getriebe nach der Erfindung mit geringen Herstellko­ sten realisiert werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Getriebe mit Innenradan­ trieb,

Fig. 2 eine geschnittene Ansicht des Getriebes nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Getriebe mit seitlich in den Rädern gelagerten Rol­ len,

Fig. 4 eine geschnittene Ansicht des Getriebes nach Fig. 3,

Fig. 5 einen Querschnitt durch ein Stirnrad-Rollengetriebe,

Fig. 6 eine Schnittansicht des Getriebes nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Schnittansicht eines Schneckengetriebes,

Fig. 8 eine Draufsicht des Getriebes nach Fig. 7,

Fig. 9 ein Kugelgetriebe mit variablem Übersetzungsverhält­ nis,

Fig. 10 eine Draufsicht auf das Kugelgetriebe nach Fig. 9,

Fig. 11 einen Schnitt durch ein Kegelgetriebe mit Kugeln,

Fig. 12 einen Schnitt durch das Getriebe nach Fig. 11,

Fig. 13 einen Schnitt entlang der Kegelfläche A-A einer Welle, und

Fig. 14 eine Variante für ein Schneckengetriebe nach Fig. 7.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Getriebe nach der Erfindung mit Innenradantrieb. In Fig. 1 ist ein Schnitt entlang der Linie B in Fig. 2 und in Fig. 2 ein Quer­ schnitt entlang der Linie A nach Fig. 1 dargestellt. Eine Antriebswelle 10 ist in einem Gehäuse 12 drehend gelagert, beispielsweise durch ein Gleitlager 14, und treibt eine getriebene Welle 16 an. Diese Welle 16 ist in einem Deckel 18 gleitend gelagert, der mit dem Gehäuse 12 fest verbunden ist. Eine starr mit dem Gehäuse 12 verbundene Halteplatte 20 hat eine teilzylinderförmige Ausnehmung 22, inner­ halb der ein Antriebsrad 24 sich mit der Welle 10 dreht. Das Antriebsrad 24 hat halbzylindrische Schalen 26, in denen zylindrische Rollen 28 aufgenommen sind. Die Schalen 26 können vorzugsweise so ausgebildet sein, daß sie geringfügig größer als eine Halbschale sind, um die Rollen 28 unverlierbar aufzunehmen.

Die getriebene Welle 16 ist mit einem angetriebenen Rad 30 verbunden, welches innenseitig im wesentlichen halbzylindrische Schalen 32 zur Aufnahme der Rollen 28 hat. Die Schalen 32 bilden ein Rollengegenlager.

Bei der Drehung der treibenden Welle 10 greifen die Rollen 28 nach und nach in die Schalen 32 ein und drehen das angetriebene Rad 30. Die Übersetzung des Getriebes ergibt sich aus den Durchmesserverhältnissen des antreibenden Rades 24 und des angetriebenen Rades 30. Beim Eingriff der Rollen 28 in die Schalen 32 rollen die Rollen 28 ab, d. h. es ergibt sich eine Drehbewegung der Rollen 28 innerhalb der Schalen 26 und 32. Aufgrund der Rollreibung sind die aufzuwende­ nen Reibungskräfte gering. Demzufolge sind die Reibverluste und der auftretende Verschleiß gering. Ebenso ist die Geräuschentwicklung vermindert, da Ein­ greifflächen nicht gegeneinander gleiten sondern abrollen.

Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 kann abgeändert werden: Als antreibende Welle kann die Welle 16 und als angetriebene Welle die Welle 10 verwendet werden. Das Übersetzungsverhältnis kehrt sich dann um. Anstelle der Rollen 28 können auch Kugeln verwendet werden; die Schalen 26 und 32 sind dann teilkugelförmig.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Rollengetriebe nach Art eines Stirnradgetriebes. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Getriebe bei einem Schnitt gemäß der Linie A in Fig. 4. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt gemäß der Linie B durch das Ge­ triebe nach Fig. 3. Eine treibende Welle 40 hat ein Stirnrad 42. Eine angetrie­ bene Welle 44 hat ein angetriebenes Stirnrad 46. Beide Wellen 40, 44 sind in Gehäuseplatten 48, 50 des Getriebes gleitend gelagert. Das Stirnrad 42 hat seit­ lich befestigte zylindrische Rollen 52, die längs einer angedeuteten konzentri­ schen Kreislinie 54 angeordnet sind. In Umfangsrichtung dieser Kreislinie 54 ge­ sehen sind die Rollen 52 im Durchmesser dieser Rollen 52 voneinander beab­ standet.

Das angetriebene Stirnrad 46 hat entlang einer angedeuteten konzentrischen Kreislinie 56 im Durchmesserabstand seitlich angeordnete zylindrische Rollen 58. Diese Rollen 58 sind drehend in Lagern am Stirnrad 46 gelagert. Bei der Drehung der antreibenden Welle 40 greifen die Rollen 52 in die Rollen 58 ein und drehen die angetriebene Welle 44. Beim Eingriff der Rollen 52, 58 verdreht sich die Rolle 58 in ihrem Lager, so daß eine Abrollbewegung entsteht. Diese Abrollbewegung vermindert die Reibung, wodurch die weiter oben bereits genannten Vorteile der Erfindung nutzbar sind. Auch im Falle des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 3 und 4 können die antreibende Welle 40 und die angetriebene Welle 44 vertauscht werden. Das Übersetzungsverhältnis ergibt sich aufgrund des Verhält­ nisses der Durchmesser der Kreislinien 54 und 56. Als Variante kann vorgesehen sein, daß die Rollen 52 drehbar um ihre Achse gelagert und die Rollen 58 fest angeordnet sind. Als weitere Variante kann vorgesehen sein, daß beide Rollen 58, 52 drehend auf den jeweiligen Stirnrädern 42, 46 gelagert sind.

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Stirnrad-Rollengetriebe. Fig. 6 zeigt eine ge­ schnittene Draufsicht längs der Linie A nach Fig. 5. Eine treibende Welle 60 und eine angetriebene Welle 62 sind in Gehäuseplatten 64 bzw. 66 drehend ge­ lagert. Ein mit der Welle 60 fest verbundenes Stirnrad 68 hat freie halbschalen­ förmige Ausnehmungen 70 zur Aufnahme von zylindrischen Rollen oder von ku­ gelförmigen Rollen 72. Ein angetriebenes Stirnrad 74 hat halbschalenförmige Aufnahmen 76 zur drehenden Aufnahme der zylindrischen Rollen oder kugelför­ migen Rollen 72. Wenn sich die treibende Welle 60 dreht, greifen die Schalen 70 in die Rollen 72 ein und bewegen das angetriebene Stirnrad 74 unter Drehung der Rollen 72 in den Schalen 70, 76.

Fig. 7 zeigt ein Schneckengetriebe unter Verwendung der Erfindung. Eine trei­ bende Welle 80 mit einem Schneckenrad 82 ist in einem oberen Gehäuseteil 84 drehend gelagert. Das Schneckenrad 82 hat halbschalenförmige Rillen 86, die schraubenförmig verlaufen. In einem unteren Gehäuseteil 88 ist ein Stirnrad 90 drehend gelagert, welches in Halbschalen 92 Kugeln 94 lagert. Die Welle 80 und eine angetriebene Welle 96 stehen in Fig. 7 senkrecht zueinander. Bei einer Drehung der Welle 80 greifen die schräg stehenden Rillen 86 in die drehend ge­ lagerten Kugeln 94 ein und verdrehen das Stirnrad 90 gemäß dem bereits be­ schriebenen Prinzip. Der obere Gehäuseteil 84 kann gegenüber dem unteren fe­ sten Gehäuseteil 88 um eine Drehachse 98 verdreht werden.

Fig. 8 zeigt die Verdrehmöglichkeit um den Winkel ϕ ausgehend von einer Aus­ gangslage mit Winkel 0°. Wird ein positiver Winkel +ϕ eingestellt, so wird der Winkel, den die Rillen 86 mit der Welle 96 einschließen, steiler, d. h. das Überset­ zungsverhältnis wird kleiner. Bei gleicher Drehzahl der treibenden Welle 80 wird bei positivem Winkel +ϕ die Drehzahl der angetrieben Welle 96 kleiner. Umge­ kehrt wird der Winkel der Rillen 86 in bezug auf die angetriebene Welle 96 fla­ cher, wenn der Winkel ϕ negativ wird. Bei sonst gleicher Drehzahl der Welle 80 erhöht sich die Drehzahl der Welle 96. Auf diese Weise kann mithilfe einer An­ ordnung nach den Fig. 7 und 8 ein Getriebe mit variablem Übersetzungsver­ hältnis geschaffen werden.

Die Fig. 9 und 10 zeigen ein Kugelgetriebe mit variablem Übersetzungsver­ hältnis. Der Aufbau dieses Getriebes ist ähnlich dem Getriebe nach den Fig. 7 und 8. Die Rillen 86 des Rades 82 verlaufen außerdem in Richtung der nunmehr angetriebenen Welle 80. Fig. 10 zeigt eine Draufsicht auf das Getriebe nach Fig. 9. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der obere Gehäuseteil 84 gegen­ über dem unteren Gehäuseteil 88 um einen Winkel +ϕ und -ϕ ausgehend von ei­ nem Ausgangswinkel 0° verschwenkbar. Beträgt der Winkel 0°, so sind Welle 80 und Welle 96 parallel zueinander ausgerichtet. Es stellt sich ein Übersetzungs­ verhältnis entsprechend den Durchmessern der Räder 82 und 90 ein. Bei einer Verdrehung des oberen Gehäuseteils 84 in Richtung +ϕ wird aufgrund der Nei­ gung der Rillen 86 das Übersetzungsverhältnis kleiner, bis es bei +90° zu 0 wird. Die Kugeln 94 bewegen sich längs der Rillen 86 und übertragen keine Drehbe­ wegung mehr. Dieser Zustand ist in Fig. 9 gezeigt. Bei einer Bewegung in Rich­ tung -ϕ ergibt sich der gleiche Effekt. Wenn der Winkel ϕ < 90° oder -ϕ < -90° wird, so kehrt sich jeweils die Drehrichtung um. Auf diese Weise kann ein varia­ bles Getriebe mit Richtungsumkehr realisiert werden.

Die Fig. 11 bis 13 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Ke­ gelradanordnung. Fig. 11 zeigt einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 12; Fig. 12 zeigt einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 11. Eine antreibende Welle 100 und eine angetriebene Welle 102 sind in einem Gehäuse 104 drehend gela­ gert. Beide Wellen 100 und 102 haben Kegelräder 106 bzw. 108. Auf diesen Ke­ gelrädern 106, 108 sind längs dem Umfang kugelförmige Halbschalen 110, 112 eingelassen, die Kugeln 114, 116 aufnehmen. Als Gegenlager für die Kugeln 114, 116 sind Kegel 118, 120 vorgesehen, in denen halbkugelförmige Schalen zur Aufnahme der Kugeln 114, 116 eingelassen sind. In Fig. 12 ist zu erkennen, daß die Kegel 118, 120 mit Wellen 124, 126 verbunden, die dann ebenfalls angetrie­ ben sind. Antrieb und Abtrieb ist bei der Anordnung nach den Fig. 11 und 12 vertauschbar.

Fig. 13 zeigt einen Schnitt längs der Kegelfläche des Kegelrades 106, veran­ schaulicht durch die Linien A-A in Fig. 12. Nur jede zweite Halbschale enthält eine Kugel, da jede Kegelfläche mit zwei Kegelflächen in Eingriff steht. Auch bei dieser Kegelgetriebeanordnung werden die Vorteile der Erfindung genutzt, gemäß die sich drehenden Rollelemente die Reibung verringern.

Fig. 14 zeigt eine weitere Variante für ein Schneckengetriebe, ähnlich dem nach Fig. 7. In Fig. 14 ist links ein Querschnitt gemäß der Linie BB des rechten Bildteils und rechts ein Querschnitt längs der Linie AA des linken Bildteils darge­ stellt. Wie im rechten Bildteil zu erkennen ist, hat ein Stirnrad 130 drei Lager­ kränze 132, 134, 136, in deren teilkugelförmigen Ausnehmungen Kugeln 138 drehbar aufgenommen sind. Diese Kugeln 138 laufen in den Gängen 142 eines Schneckenrades 140, wobei aufgrund der nebeneinander angeordneten Lager­ kränze 132, 134, 136 drei Kugeln mit dem Gang 142 gleichzeitig im Eingriff sind. Die Last teilt sich somit auf mehrere Kugeln 138 auf, wodurch der Verschleiß je Kugel 138 verringert ist. Die Lagerkränze 132 und 136 sind so ausgebildet, daß die von ihnen aufgenommenen Kugeln 138 innerhalb eines Ganges 142 eingrei­ fen, wobei ihre Mittelpunkte in Projektion gesehen auf einer Kreislinie liegen, die konzentrisch zum Kern des Schneckenrades 140 verläuft. Bei der gezeigten An­ ordnung sind die Kugeln 138 des Lagerkranzes 132 entsprechend dem Gangwin­ kel gegenüber den Kugeln 138 des Lagerkranzes 134 nach rechts versetzt; die Kugeln 138 des Lagerkranzes 134 wiederum sind relativ zu den Kugeln 138 des hinteren Lagerkranzes 136 rechts angeordnet. Das gezeigte Ausführungsbeispiel eignet sich besonders für Schneckengetriebe mit hoher Last.

Bezugszeichen

10

Antriebswelle

12

Gehäuse

14

Gleitlager

16

getriebene Welle

18

Deckel

20

Halteplatte

22

teilzylinderförmige Ausnehmung

24

Antriebsrad

26

halbzylindrische Schalen

28

Rollen

30

angetriebenes Rad

32

halbzylindrische Schalen

40

treibende Welle

42

Stirnrad

44

angetriebene Welle

46

angetriebenes Stirnrad

48

,

50

Gehäuseplatten

52

zylindrische Rollen

54

,

56

konzentrische Kreislinien

58

Rollen

60

treibende Welle

62

angetriebene Welle

64

,

66

Gehäuseplatten

68

Stirnrad

70

halbschalenförmige Ausnehmungen

72

kugelförmige Rollen

74

angetriebenes Stirnrad

76

halbschalenförmige Aufnahmen

80

treibende Welle

82

Schneckenrad

84

oberes Gehäuseteil

86

halbschalenförmige Rillen

88

unteres Gehäuseteil

90

Stirnrad

92

Halbschalen

94

Kugeln

96

angetriebene Welle

100

antreibende Welle

102

angetriebene Welle

104

Gehäuse

106

,

108

Kegelräder

110

,

112

kugelförmige Halbschalen

114

,

116

Kugeln

118

,

120

Kegel

124

,

126

Wellen

130

Stirnrad

132

,

134

,

136

Lagerkränze

138

Kugeln

140

Schneckenrad

142

Schneckengang

Claims (13)

1. Getriebe mit mindestens zwei Rädern (24, 30),
wobei jedes Rad (24, 30) Eingreifelemente (28, 32) hat, die bei der Drehung der Räder (24, 30) miteinander in Eingriff gelangen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Eingreifelemente mindestens eines Rades (24) als drehend gelagerte Rollelemente (28) ausgebildet sind, die beim Eingriff mit den Eingreifelementen (32) des anderen Rades (30) eine Drehbewegung ausfüh­ ren.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollelemente als zylinderförmige Rollen (28) ausgebildet sind.

3. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollelemente als Kugeln ausgebildet sind.

4. Getriebe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Rad (24) äußere schalenförmige Ausnehmungen (26), vorzugsweise im wesentli­ chen Halbschalen, für die Aufnahme der Rollelemente (28) hat, und daß das andere Rad (30) innere schalenförmige Ausnehmungen (32), vor­ zugsweise im wesentlichen Halbschalen, zum Eingriff der Rollelemente (28) des erstgenannten Rades (24) hat (Fig. 1 und 2).

5. Getriebe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Rad (74) äußere schalenförmige Ausnehmungen (76), vorzugsweise im wesentli­ chen Halbschalen, zur Aufnahme der Rollelemente (72) hat, und daß das andere Rad (68) äußere schalenförmige Ausnehmungen (70), vor­ zugsweise im wesentlichen Halbschalen, zum Eingriff der Rollelemente (72) des erstgenannten Rades (74) hat (Fig. 5 und 6).

6. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Räder längs zur jeweiligen Wellenachse zentrischer Kreislinien (54, 56) im Abstand voneinan­ der angeordnete zylinderförmige Rollen (54, 58) haben, die parallel zur Richtung der Wellen (40, 44) der Räder (42, 46) verlaufen, und daß die zylindrischen Rol­ len (58) mindestens eines Rades (46) drehend gelagert sind, und daß bei der Drehung der Räder (42, 46) die Rollen (58) des einen Rades (46) in die Rollen (52) des anderen Rades (42) eingreifen (Fig. 3 und 4).

7. Getriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gleich dicken Rollen (52, 58) beider Räder (42, 46) jeweils einen Abstand entsprechend dem Durchmesser der Rollen (52, 58) haben.

8. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Rad als Schneckenrad (82) ausgebildet ist und schraubenförmig verlaufende schalenför­ mige Ausnehmungen (86) hat, welche als Kugeln (94) ausgebildete Rollelemente aufnehmen, und daß das andere Rad (90) an seiner Außenfläche schalenförmige Ausnehmungen (92), vorzugsweise im wesentlichen Halbschalen, für die dre­ hende Lagerung der Kugeln (94) hat (Fig. 7 und 8).

9. Getriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (80, 96) von Schneckenrad (82) und anderem Rad (90) zueinander verschwenkbar ange­ ordnet sind, wodurch das Übersetzungsverhältnis des Getriebes veränderbar ist.

10. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Rad (90) äußere schalenförmige Ausnehmungen (92) hat, vorzugsweise Halbschalen, die jeweils Kugeln (94) drehend lagern, und daß das zweite Rad (82) an seiner Umfangsfläche teilzylinderförmige Ausnehmungen, vorzugsweise Halbschalen hat, die in Richtung parallel zur Wellenrichtung dieses zweiten Rades (82) ver­ laufen, und daß der von den Wellen (80, 96) der beiden Räder (82, 90) einge­ schlossene Winkel (ϕ) zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Getrie­ bes änderbar ist (Fig. 9 und 10).

11. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Räder (106, 108) kegelförmige Außenflächen haben und eine Kegelradgetriebeanord­ nung bilden, und daß die kegelförmigen Außenflächen der Räder (106, 108) schalenförmige, vorzugsweise halbschalenförmige, Ausnehmungen (110, 112) zur drehenden Lagerung von Kugeln (114, 116) als Rollelemente haben, und daß ke­ gelförmige Gegenlager (118, 120) mit schalenförmigen Ausnehmungen vorgese­ hen sind, die die Kugeln (114, 116) aufnehmen.

12. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Rad als Schneckenrad (140) ausgebildet ist und schraubenförmig verlaufende Ausneh­ mungen (142) hat, welche mehrere nebeneinander angeordnete Kugeln (138) aufnehmen, und daß das andere Rad (130) mehrere Lagerkränze (132, 134, 136) mit jeweils einer Vielzahl von schalenförmigen Ausnehmungen hat, die die Kugeln (138) drehbar aufnehmen (Fig. 14).

13. Getriebe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß drei Lagerkränze (132, 134, 136) vorgesehen sind.