DE10021237A1 - Untersetzungsgetriebe mit einem durch Planetenräder gebildeten Wavegenerator - Google Patents

Abstract

Ein Untersetzungsgetriebe (1) ist nach dem Prinzip des "Harmonic-Drive" mit einem durch Planetenräder (2) gebildeten Wavegenerator (3), einem davon beaufschlagten und verformbaren Flexspline (5) und einem Circularspline (8) versehen, wobei die Planetenräder (2) durch ein Sonnenrad (9) angetrieben und im Umlauf versetzt werden. Der Flexspline (5) hat dabei in axialer Richtung neben seinem mit den Planetenrädern (2) zusammenwirkenden Zahnkranz (6) einen zumindest innenseitig glatten Ringbereich (11) und die Planetenräder (2) sind an einem Planetenträger (4) gelagert, der in den Ringbereich (11) eingreift und selbst eine den Flexspline (5) analog den Planetenrädern (2) verformende Außenkontur hat, so daß der Flexspline (5) synchron von dem Planetenträger (4) und den Planetenrädern (2) verformt und durch die Planetenräder '(2) in üblicher Weise in Drehung versetzt wird. Der Planetenträger lagert gleichzeitig die Planetenräder (2) und wirkt bei der Verformung des Flexsplines (5) mit, so daß dessen Rückstellkräfte von dem Sonnenrad (9) ferngehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Untersetzungsgetriebe mit einem durch mehrere Planetenräder gebildeten Wavegenerator, mit einem von diesem beaufschlagten, durch einen flexiblen und radial deformierbaren, im wesentlichen zylindrischen Teil gebildeten Flexspline, welcher einen inneren Zahnkranz zum Zusammenwirken mit einer Außenver­ zahnung der Planetenräder und insbesondere koaxial dazu einen äußeren Zahnkranz hat, der mit einem als innenverzahntes Hohlrad ausge­ bildeten Circularspline zusammenwirkt, wobei die Planetenräder durch ein zentrales Sonnenrad oder Sonnenritzel antreibbar sind.

Ein derartiges Untersetzungsgetriebe ist aus DE 44 42 102 A1 bekannt, wobei der Wavegenerator von zwei Planetenrädern gebildet sein kann, aber auch beispielsweise drei Planetenräder möglich wären. Problematisch ist dabei die Halterung der Planetenräder insbesondere während des Betriebes, da sie praktisch ungelagert zwischen dem Sonnenrad und dem Flexspline angeordnet und nur durch die Rückstellkraft des Flexsplines eingespannt gehalten werden. Damit der Flexspline gut und effektiv in die Innenverzahnung des Circularsplines eingedrückt werden kann, obwohl die Planetenräder selbst keine eigene Lagerung haben, muß ein derartiges Unter­ setzungsgetriebe mit hoher Präzision gefertigt werden.

Außerdem hat der Flexspline aufgrund seiner elastischen Rückstell­ kräfte ständig das Bestreben, aus der Innenverzahnung des Circularsplines auszutreten, was durch die Planetenräder im jeweiligen Eingriffs- oder Berührbereich verhindert werden muß. Der Eingriff des Flexsplines in den Circularspline muß also gegen einen ständigen Widerstand erfolgen, was zur Folge hat, daß die Verzahnungen der Planetenräder in die des Sonnenrades fest eingedrückt und dadurch an dieser Eingriffsstelle spielfrei werden. Dies führt an dieser Eingriffsstelle zwischen Sonnenrad oder Sonnenritzel und Planetenrädern zu einem größeren Widerstand und somit zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades und ferner im Laufe der Zeit zu einem höheren Verschleiß. Insbesondere ergibt sich dadurch eine relativ hohe Flächenpressung der Zähne aneinander, was den erwähnten vorzeitigen Verschleiß begünstigt.

Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Untersetzungsgetriebe der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Flächenpressung innerhalb der Verzahnung zwischen Sonnenrad und Planetenrädern vermindert ist.

Die überraschende Lösung dieser scheinbar widersinnigen Aufgabe besteht bei einem Untersetzungsgetriebe der eingangs genannten Art darin, daß der Flexspline in axialer Richtung neben seiner Innenverzahnung einen Ringbereich aufweist, daß die Planetenräder an einem Planetenträger drehbar gelagert sind, der in den zylindrischen Ringbereich, diesen innenseitig entlang dem gesamten Umfang berührend, eingreift und die Form eines Mehrfachexzenters hat, wobei die Anzahl der exzentrischen Bereiche der Anzahl der Planetenräder entspricht und die exzentrischen Bereiche parallel zu den Planetenrädern angeordnet sind und an dem Flexspline bei dem Umlauf der Planetenräder die durch die Planetenräder bewirkte Verformung auch an dem zylindrischen Ringbereich bewirken.

Der Flexspline wird also einerseits durch die Planetenräder und andererseits durch einen Planetenträger bei dem Antrieb und Umlauf der Planetenräder gleichsinnig und übereinstimmend verformt, so daß die den verzahnten Bereich des Flexsplines beaufschlagenden Planetenräder selbst nicht oder kaum durch die Rückstellkraft des Flexsplines in radialer Richtung und in Richtung auf das Sonnenrad hin belastet werden. Dabei ist zwischen dem Ringbereich und der äußeren Mantelfläche des Planetenträgers eine Relativbewegung möglich, damit der Planetenträger zusammen mit den Planetenrädern relativ zu dem Flexsplines umlaufen kann.

Die von dem Flexsplines ausgehenden Rückstellkräfte können dabei in vorteilhafter Weise von dem mit einer entsprechenden Außenkontur und äußeren Mantelfläche versehenen Planetenträger aufgefangen werden, der dadurch eine Doppelfunktion hat, weil er zusätzlich auch die Lagerung für die Planetenräder aufweist. Die Planetenräder sind also an dem Planetenträger gelagert, so daß ihre Entfernung und Anordnung relativ zu dem Sonnenrad oder Sonnenritzel festliegt und auch deshalb keine übermäßige oder zusätzliche Druckkraft auf die Verzahnung des Sonnenrades ausüben können. Aufgrund der Lagerung der Planetenräder an dem Planetenträger sind also auch größere Toleranzen bei der Getriebefertigung möglich. Vor allem wird der Flexspline trotz solcher eventuell größerer Toleranzen präzise verformt und in die Gegenverzahnung an dem Circularspline gedrückt und insgesamt in eine präzise, elastisch ausgelenkte, zum Beispiel elliptische Form gebracht, so daß sogar ein relativ weicher Werkstoff verwendet werden kann, der nur durch die Planetenräder die erforderliche genaue Verformung nicht erfahren würde, sondern zusätzliche Biegungen erfahren könnte, die aber durch den Planetenträger verhindert werden.

Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen und geformten Planeten­ träger werden also mehrere Vorteile gleichzeitig erzielt, indem nämlich die Planetenräder eine Drehlagerung erhalten, ein starker, von den Rückstellkräften des Flexsplines herrührender Druck zwischen der Verzahnung der Planetenräder und der des Sonnenrades vermieden wird und der Flexspline eine präzise verformte Umfangsform während seines Umlaufes erhält, die für einen bestmöglichen Eingriff der Außenverzahnung des Flexsplines in die Innenverzahnung des Circularsplines erforderlich ist.

Eine konstruktiv besonders zweckmäßige Ausführungsform der Er­ findung kann darin bestehen, daß zwei zueinander beabstandete - insbesondere gleich große und auf einem Durchmesser einander gegenüberliegende - Planetenräder auf parallelen Achsen des Planetenträgers gelagert sind und der Planetenträger eine der Anordnung dieser Planetenräder entsprechende ovale oder elliptische Umfangsform hat, wobei die größere Abmessung des Planetenträgers im Bereich der Planetenräder vorgesehen ist. Die Außenkontur des Planetenträgers ist also im Bereich seiner Exzentrizitäten, bei einem ovalen oder elliptischen Planetenträger im Bereich seines größten Durchmessers etwa in Übereinstimmung mit dem etwa parallel dazu angeordneten Teilkreis oder Fußkreis der Verzahnung, so daß der die Planetenräder und den Planetenträger außenseitig berührende Flexspline in gleicher Richtung und Größe bei dem Umlauf der Planetenräder und des Planetenträgers verformt wird.

Eine konstruktive Abwandlung des erfindungsgemäßen Untersetzungs­ getriebes kann darin bestehen, daß drei insbesondere gleich große Planetenräder mit übereinstimmendem Abstand zueinander an dem Planetenträger gelagert sind und dieser die Form eines etwa dreieckigen Mehrfachexzenters hat, wobei die Ecken des Dreieckes mit dem Krümmungsradius gerundet sind, der dem Radius des Teilkreises der Planetenräder entspricht. Somit ist auch in diesem Falle der Planetenträger mit einem Umriß ausgestattet, der der Verformungs­ geometrie und Kontur des Flexsplines entspricht, die diesem durch die drei exzentrischen Planetenräder bei deren Umlauf aufgezwungen wird, so daß auch in diesem Falle die Verformung des Flexsplines gleichzeitig durch die Planetenräder und den Planetenträger bewirkt wird. Es ergeben sich dann insgesamt drei Eingriffsbereiche an dem Circularspline, wie sich bei der Verwendung von zwei Planetenrädern zwei derartige Berührungsbereiche ergeben.

Zweckmäßig ist es, wenn der Planetenträger eine Durchtrittsöffnung für die Antriebswelle des Sonnenrades oder des Sonnenritzels aufweist und wenn diese Antriebswelle die Durchtrittsöffnung berührungsfrei oder über ein in dieser Durchtrittsöffnung angeordnetes Lager durchsetzt. Somit kann auf der koaxial dazu abgewandten Seite des Planetenträgers und der Planetenräder der Abtrieb des Untersetzungs­ getriebes angeordnet sein. Gleichzeitig ergibt sich eine gute Lagerung auch des Sonnenrades oder Sonnenritzels.

Dabei ist es möglich, daß der Flexspline auf der dem zylindrischen Ringbereich abgewandten Seite seiner Innenverzahnung einen mit einer Abtriebswelle oder Abtriebshülse verbundenen Nabenteil aufweist, der einstückig oder über in radialer Richtung bewegliche Verbindungs­ teile oder Schlitze mit dem Flexspline verbunden ist. An einem solchen Nabenteil kann dann die Abtriebswelle, gegebenenfalls auch eine Abtriebshülse, koaxial zu der Antriebswelle angeordnet sein, so daß sich insgesamt ein kompaktes Untersetzungsgetriebe ergibt, das hinsichtlich der Verzahnung eine erhöhte Lebensdauer verspricht.

Damit die schon erwähnte Relativbewegung zwischen der außenseitigen Mantelfläche des Planetenträgers und dem Ringbereich möglichst gut stattfinden kann, ist es vorteilhaft, wenn die Innenseite des Ringbereiches und/oder die äußere Mantelfläche des Planetenträgers glatt sind. Entweder können beide sich berührenden Flächen glatt sein oder eine der Flächen, insbesondere die Innenseite des Ringbereiches könnte die Fortsetzung der Innenverzahnung tragen, wenn die äußere Mantelfläche des Planetenträgers glatt ist. Gegebenenfalls können die sich berührenden Flächen auch mit Konturen oder Profilierungen versehen sein, die wie glatte Flächen zusammenwirken und eine möglichst geringe gegenseitige Reibung bewirken.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt in zum Teil schematisierter Darstellung:

Fig. 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Untersetzungs­ getriebes mit einem Sonnenrad und zwei gleich großen, mit ihrer Lagerung auf einem gemeinsamen Durchmesser angeordneten Planetenträgern, deren Außenverzahnung in die Innenverzahnung eines Flexsplines eingreift und diesen in die Innenverzahnung eines Circularsplines drückt, wobei die Planetenräder an einem mit ihnen umlaufenden Planetenträger mit ovaler oder elliptischer Form gelagert sind, der in einen parallel zu der Verzahnung des Flexsplines angeordneten glatten Ringbereich des Flexsplines eingreift,

Fig. 2 einen in perspektivischer Darstellung gehaltenen Längsschnitt durch den Planetenträger, den Flexspline, die Planetenräder und das Sonnenrad mit seiner Antriebs­ achse ohne den Circularspline und ohne das Getriebegehäuse sowie

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung des Planetenträgers, der Planetenräder, der Antriebswelle mit Sonnenrad bzw. Sonnenritzel und des Flexsplines vor dem Zusammenbau.

Ein im ganzen mit 1 bezeichnetes Untersetzungsgetriebe weist einen durch mehrere gleich große, im Ausführungsbeispiel zwei, Planetenrä­ der 2 mitgebildeten Wavegenerator 3 auf, zu dem zusätzlich noch ein noch zu beschreibender Planetenträger 4 gehört.

Zur Untersetzung und Übertragung der von den Planetenrädern 2 bei ihrem Antrieb und Umlauf erzeugten Drehung dient ein von diesen beaufschlagter, durch einen flexiblen und radial deformierbaren, im wesentlichen zylindrischen Teil gebideter Flexspline 5, welcher einen inneren Zahnkranz 6 zum Zusammenwirken mit einer Außen­ verzahnung 2a der Planetenräder 2 und einen äußeren Zahnkranz 7 hat, der mit einem als innenverzahntes Hohlrad ausgebildeten Circularspline 8 zusammenwirkt. Die Planetenräder 2 werden dabei gemäß Fig. 1 und 2 durch ein zentrales Sonnenrad oder Sonnenritzel 9 angetrieben, welches in dem Ausführungsbeispiel einstückig mit einer Antriebswelle 10 für das Getriebe 1 verbunden ist.

In Fig. 2 und 3 erkennt man, daß der Flexspline 5 in axialer Richtung benachbart zu seinem inneren Zahnkranz 6 - und damit auch zu seinem äußeren Zahnkranz 7, der konzentrisch zu dem Zahnkranz 6 angeordnet ist - einen im Ausführungsbeispiel innenseitig glatten Ringbereich 11 aufweist, der einstückig zu dem gesamten Flexspline 5 gehört.

Ferner ist in allen Figuren dargestellt, daß die Planetenräder 2 an dem schon erwähnten Planetenträger drehbar auf bolzenartigen Vorsprüngen 12 gelagert sind. In Fig. 2 ist dargestellt, daß dieser Planetenträger 2 in den ursprünglich zylindrischen, jedoch elastisch deformierbaren Ringbereich 11 eingreift und diesen innenseitig entlang dem gesamten Umfang flächig mit seiner äußeren Mantelfläche 4b berührt. Dabei hat der Planetenträger 4 die Form eines Mehrfachexzenters, im Ausführungsbeispiel eines Doppelexzenters, das heißt er hat an seiner Mantelfläche 4b eine etwa ovale oder elliptische Außenkontur, die in Fig. 3 angedeutet ist, wobei die größere Abmessung in derselben Richtung verläuft, in welcher eine gedachte Verbindungslinie durch die Lagervorsprünge 12 für die Planetenräder 2 orientiert ist. Die exzentrischen Bereiche 4a, also die auf dem größeren Durchmesser des Planetenträgers 4 angeordneten Außenkonturen dieses Planetenträgers 4 sind dabei etwa parallel und in gleichem Abstand zur Mitte angeordnet, wie die Planetenräder 2, so daß der Planetenträger 4 an dem Flexspline 5 bei seinem und dem Umlauf der Planetenräder 2 an dem Ringbereich 11 dieselbe Verformung bewirkt, wie die Planetenräder 2 im Bereich der Zahnkränze 6 und 7. Es erfolgt also eine übereinstimmende synchrone Verformung des Flexsplines an den Zahnkränzen 6 und 7 und gleichzeitig an dem Ringbereich 11, wobei diese Verformungen dem Umlauf der Planetenräder 2 und damit auch des Planetenträgers 4 folgen.

Somit werden die elastischen Rückstellkräfte des Flexsplines 5 weitestgehend von dem Planetenträger 4 und teilweise auch von den Lagervorsprüngen 12 der Planetenräder 2 aufgefangen und von der Sonnenradverzahnung abgehalten.

Die beiden zueinander beabstandeten Planetenräder 2 sind also auf parallelen Achsen, nämlich den Vorsprüngen 12 des Planetenträgers 4 drehbar gelagert und der Planetenträger 4 hat eine der Anordnung dieser Planetenräder 2 entsprechende ovale oder elliptische Umfangsform, wobei die größere Abmessung des Planetenträgers 4 gemäß Fig. 2 im Bereich der Planetenräder 2 vorgesehen ist und der Fußkreis der Verzahnung des inneren Zahnkranzes 6 im Bereich seines größten Abstandes vom Mittelpunkt des Planetenträgers 2 oder des Sonnen­ rades 9 mit dem Abstand der Außenkontur des Planetenträgers in diesem Bereich übereinstimmt, worauf außerdem die Innenkontur des Ringbereiches 11 abgestimmt ist. Dadurch wird erreicht, daß beim Umlauf der Planetenräder 2 die Verformung des Flexsplines 5 im Bereich der Zahnkränze 6 und 7 gleichförmig und gleichzeitig mit der des Ringbereiches 11 erfolgt. Durch geringe Durchmesserunter­ schiede in diesen Bereichen kann unter Umständen noch eine Beeinflussung der Verformung des Flexsplines 5 und der Aufnahme der damit einhergehenden Gegenkräfte erreicht werden.

Gemäß Fig. 2 und 3 hat der Planetenträger 4 eine Durchtrittsöffnung 13 für die Antriebswelle 10 des Sonnenrades oder Sonnenritzels 9, wobei diese Durchtrittsöffnung 13 so bemessen ist, daß die Antriebswelle 10 sie berührungslos durchsetzen kann. Je nach Leistung und Höhe der zu übertragenden Kräfte und Momente könnte im Bereich dieser Durchtrittsöffnung 13 auch noch ein Lager für die Antriebs­ welle 10 angeordnet sein.

Der Flexspline 5 hat auf seiner dem Ringbereich 11 abgewandten Seite seiner Zahnkränze 6 und 7 einen mit einer nicht näher dargestellten Abtriebswelle oder Abtriebshülse verbindbaren oder verbundenen, nur schematisch angedeuteten Nabenteil 14, der dabei gemäß Fig. 2 einstückig mit diesem Flexspline 5 verbunden ist. Es sind aber auch andere Verbindungsmöglichkeiten zwischen dem Flexspline 5 und einem Abtrieb des Getriebes 1 möglich.

Das Untersetzungsgetriebe 1 ist nach dem Prinzip des "Harmonic-Drive" mit einem durch Planetenräder 2 gebildeten Wavegenerator 3, einem davon beaufschlagten und verformbaren Flexspline 5 und einem Circularspline 8 versehen, wobei die Planetenräder 2 durch ein Sonnenrad 9 angetrieben und im Umlauf versetzt werden. Der Flexspline 5 hat dabei in axialer Richtung neben seinem mit den Planetenrädern 2 zusammenwirkenden Zahnkranz 6 einen zumindest innenseitig glatten Ringbereich 11 und die Planetenräder 2 sind an einem Planetenträger 4 gelagert, der in den Ringbereich 11 eingreift und selbst eine den Flexspline 5 analog den Planetenrädern 2 verformende Außenkontur hat, so daß der Flexspline 5 synchron von dem Planetenträger 4 und den Planetenrädern 2 verformt und durch die Planetenräder 2 in üblicher Weise in Drehung versetzt wird. Der Planetenträger lagert gleichzeitig die Planetenräder 2 und wirkt bei der Verformung des Flexsplines 5 mit, so daß dessen Rückstellkräfte von dem Sonnenrad 9 ferngehalten werden.

Claims (6)

1. Untersetzungsgetriebe (1) mit einem durch mehrere Planetenräder (2) gebildeten Wavegenerator (3), mit einem von diesem beaufschlagten, durch einen flexiblen und radial deformier­ baren, im wesentlichen zylindrischen Teil gebildeten Flexspline (5), welcher einen inneren Zahnkranz (6) zum Zusammenwirken mit einer Außenverzahnung (2a) der Planetenräder (2) und einen äußeren Zahnkranz (7) hat, der mit einem als innenverzahntes Hohlrad ausgebildeten Circularspline (8) zusammenwirkt, wobei die Planetenräder (2) durch ein zentrales Sonnenrad oder Sonnenritzel (9) antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Flexspline (5) in axialer Richtung neben seinem inneren Zahnkranz (6) einen Ringbereich (11) aufweist, daß die Planetenräder (2) an einem Planetenträger (4) drehbar gelagert sind, der in den Ringbereich (11), diesen innenseitig entlang dem gesamten Umfang berührend, eingreift und die Form eines Mehrfachexzenters hat, wobei die Anzahl der exzentrischen Bereiche der Anzahl der Planetenräder entspricht und die exzentrischen Bereiche parallel zu den Planetenrädern angeordnet sind und an dem Flexspline (5) bei dem Umlauf der Planetenräder (2) die durch die Planetenräder (2) bewirkte Verformung auch an dem Ringbereich (11) bewirken.

2. Untersetzungsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander beabstandete Planetenräder (2) auf parallelen Achsen des Planetenträgers (4) gelagert sind und der Planetenträger (4) eine der Anordnung dieser Planetenräder (2) entsprechende ovale oder elliptische Umfangsform hat, wobei die größere Abmessung des Planetenträgers (4) im Bereich der Planetenräder (2) vorgesehen ist.

3. Untersetzungsgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei insbesondere gleich große Planetenräder mit übereinstimmendem Abstand zueinander an dem Planetenträger gelagert sind und dieser die Form eines etwa dreieckigen Mehrfach­ exzenters hat, wobei die Ecken des Dreieckes mit dem Krümmungs­ radius gerundet sind, der dem Radius des Teilkreises der Planetenräder entspricht.

4. Untersetzungsgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Planetenträger (4) eine Durchtrittsöff­ nung (13) für die Antriebswelle (10) des Sonnenrades oder des Sonnenritzels (9) aufweist und daß diese Antriebswelle (10) die Durchtrittsöffnung (13) berührungsfrei oder über ein in dieser Durchtrittsöffnung angeordnetes Lager durchsetzt.

5. Untersetzungsgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flexspline (5) auf der dem Ringbereich (11) abgewandten Seite seiner Zahnkränze (6, 7) einen mit einer Abtriebswelle oder Abtriebshülse verbundenen Nabenteil (14) aufweist, der einstückig oder über in radialer Richtung bewegliche Verbindungsteile oder Schlitze mit dem Flexspline (5) verbunden ist.

6. Untersetzungsgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Ringbereiches 11 und/oder die äußere Mantelfläche 4b des. Planetenträgers (4) glatt sind.