DE10063467B4

DE10063467B4 - Verstellvorrichtung

Info

Publication number: DE10063467B4
Application number: DE2000163467
Authority: DE
Inventors: Hubert Tomczyk
Original assignee: DIRO Konstruktions GmbH and Co KG
Current assignee: DIRO Konstruktions GmbH and Co KG
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2020-12-20
Also published as: DE10063467A1

Abstract

Verstellvorrichtung, mit
• einem ersten Verstellzahnrad (1) und einem zweiten Verstellzahnrad (2), wobei das erste Verstellzahnrad (1) mindestens einen ersten radial äußeren Kegelverzahnungsbereich (4) und einen ersten radial inneren Kegelverzahnungsbereich (5) aufweist und das zweite Verstellzahnrad (2) mindestens einen zweiten radial äußeren Kegelverzahnungsbereich (6) und einen zweiten radial inneren Kegelverzahnungsbereich (7) aufweist,
• einer Antriebswelle (3) mit einer Antriebskegelverzahnung (14), die in Eingriff mit dem ersten und zweiten radial äußeren Kegelverzahnungsbereich (4, 6) der Verstellzahnräder (1, 2) ist, und
• einer Abtriebswelle (11), die konzentrisch zu den Verstellzahnrädern (1, 2) angeordnet ist und radial nach außen abstehende Stifte (8) aufweist, auf denen mindestens zwei Umlaufzahnräder (10a-f) drehbar auf Stiften (8) gelagert sind, wobei die Umlaufzahnräder (10a-f) Umlaufkegelverzahnungen (9) aufweisen, die mit den radial inneren Kegelverzahnungsbereichen (5, 7) in Eingriff sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
• die ersten Kegelverzahnungsbereiche (4, 5) unterschiedliche Zähnezahlen und die zweiten Kegelverzahnungsbereiche...

Description

Die Erfindung bezieht auf eine Verstellvorrichtung. Eine derartige Verstellvorrichtungen kann zum Beispiel zum Verstellen eines zweiten Teiles gegenüber einem ersten Teil verwendet werden. Weiterhin kann eine derartige Verstellvorrichtung insbesondere auch als Getriebe mit einer hohen Untersetzung verwendet werden. Hierbei sind insbesondere Anwendungen als Winkelgetriebe interessant.

Zur Verstellung zweier Teile zueinander können unter anderem Schrittmotoren eingesetzt werden, die eine exakte Positionierbarkeit gewährleisten. Weiterhin können auch andere Motoren, zum Beispiel Elektromotoren, mit einem nachfolgenden Getriebe mit einer geeigneten Untersetzung verwendet werden. Bei Verwendung von Motoren mit höheren Drehzahlen, wie zum Beispiel schnell laufenden Elektromotoren, kann die erforderliche hohe Untersetzung beispielsweise durch ein Schneckengetriebe verwirklicht werden.

Nachteilig an Schneckengetrieben ist jedoch die relativ große Reibung bei einem relativ niedrigen Wirkungsgrad von zum Beispiel 60 %. Hierdurch wird ein Elektromotor mit einer größeren Leistung und die Verwendung von reibungsbeständigen, teuren Materialien für das Schneckenrad erforderlich. Bei hohen Belastungen und hohen Außentemperaturen kann zudem eine große Wärmebelastung des Materials des Schneckenrades auftreten, so dass als Material insbesondere abriebfeste und wärmebeständige Kunststoffe verwendet werden, die dementsprechend kostenaufwendig sind.

Weiterhin sind Getriebe mit elastischem Zahnkranz (Harmonic-Drive-Getriebe) bekannt. Bei diesen als Getriebe wirkenden Verstellvorrichtungen sind zwei innenverzahnte Zahnräder mit unterschiedlicher Zähnezahl und ein in den innenverzahnten Zahnrädern vorgesehenes außenverzahntes, elastisches Zahnrad vorgesehen, das eine nicht runde, zum Beispiel elliptische Form aufweist und beim Drehen so verformt wird, dass seine Außenzähne nacheinander in die Zahnlücken der innenverzahnten Zahnräder eingedrückt werden, wodurch eine relative Winkelverstellung erreicht wird, bei der die Zähne des außenverzahnten elastischen Zahnrades ständig im Eingriff mit den Innenverzahnungen sind. Der Unterschied der Zähnezahlen der innenverzahnten Zahnräder beträgt dabei größer/gleich 2. Zum Erreichen großer Untersetzungen sind große Zähnezahlen notwendig, wozu hochelastische, teure und reibungsbeständige Materialien benötigt werden. Weiterhin können derartige Getriebe in der Regel nicht als Winkelgetriebe ausgebildet werden.

Die US 5,807,202 zeigt ein Verteilgetriebe für einen Helikopterrotor mit einem Untersetzungsgetriebe mit zwei Kegelverzahnungsbereichen, die separat voneinander ausgebildet sind und unterschiedliche radial äußere und radial innere Kegelverzahnungsbereiche mit jeweils unterschiedlichen Zähnezahlen aufweisen.

Aus der US 1,731,233 ist ein Untersetzungsgetriebe bekannt, bei dem unterschiedliche Kegelverzahnungsbereiche mit unterschiedlichen Zähnezahlen und Verzahnungsgeometrien ausgebildet sind. Eine solche Ausgestaltung hat eine äußerst aufwendige Fertigung und komplizierte Montage zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik Verbesserungen zu schaffen und insbesondere eine Verstellvorrichtung zu schaffen, die mit relativ geringem Aufwand und kleinbauend eine hohe Untersetzung mit gewährleistet. Diese Verstellvorrichtung soll insbesondere als kleinbauende Winkelverstellvorrichtung oder Winkelgetriebe mit hoher Untersetzung und geringer Masse verwendbar sein. Hierbei sollen vorzugsweise einfache Materialien in einer einfachen und kostengünstigen Herstellung verwirklicht werden können und eine kleine Dimensionierung und geringe Masse möglich sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Verstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.

Erfindungsgemäß wird eine relative Verstellung zweier koaxialer Verstellzahnräder mit Kegelverzahnungen erreicht, indem diese von einer gemeinsamen, vorzugsweise gehäuseseitig gelagerten Antriebswelle mit Antriebskegelverzahnung angetrieben werden. Die Verstellzahnräder weisen hierbei im allgemeinen jeweils mindestens zwei radial zueinander versetzte, vorzugsweise aneinander angrenzende Kegelverzahnungsbereiche auf. Die Antriebskegelverzahnung ist hierbei mit einem Kegelverzahnungsbereich jedes Verstellzahnrades, vorzugsweise dem radial äußeren, in Eingriff. Die Verstellzahnräder sind weiterhin über gemeinsame Umlaufkegelzahnräder miteinander gekoppelt, die jeweils mit dem anderen, vorzugsweise dem radial inneren Kegelverzahnungsbereich jedes Verstellzahnrades in Eingriff sind. Die Umlaufzahnräder mit Umlaufkegelverzahnungen sind jeweils drehbar auf einem Stift einer zu den Verstellzahnrädern koaxialen Abtriebswelle gelagert. Somit wird ein zum Beispiel radial äußeres Zahnradsystem aus der Antriebskegelverzahnung und den radial äußeren Kegelverzahnungsbereichen und ein zum Beispiel radial inneres Zahnradsystem aus den Umlaufkegelverzahnungen der Umlaufzahnräder und den radial inneren Kegelverzahnungsbereichen gebildet. Diese beiden radial zu einander versetzten, koaxialen Zahnradsysteme sind über die Verstellzahnräder miteinander gekoppelt. Falls die Kegelverzahnungen der beiden Verstellzahnräder gleich wären, würden die Umlaufzahnräder somit lediglich als Gelegeräder dienen und keine Umlaufbewegung durchführen.

Erfindungsgemäß weisen die ersten Kegelverzahnungsbereiche unterschiedliche Zähnezahlen und die zweiten Kegelverzahnungsbereiche gleiche Zähnezahlen auf. Die radial inneren oder radial äußeren Kegelverzahnungsbereiche weisen unterschiedliche Zähnezahlen auf, wobei der der zweite radial innere Kegelverzahnungsbereich und der zweite radial äußere Kegelverzahnungsbereich als eine einheitliche, einstückige Verzahnung ausgebildet ist.

Hierdurch werden die beiden Zahnradsysteme zu einem unterschiedlichen Drehverhalten gezwungen. Die Umlaufzahnräder werden aufgrund des Zähnezahlunterschiedes hierbei gegenüber der Antriebswelle zu einem Umlauf um die gemeinsame Achse beider Zahnradsysteme gezwungen. Da die Umlaufzahnräder über die Stifte an der Abtriebswelle angebracht sind, wird die Abtriebswelle gedreht.

Indem der Unterschied der Zähnezahlen der inneren und/oder äußeren Kegelverzahnungsbereiche im Verhältnis zu den Zähnezahlen relativ gering gewählt wird, kann bei einer größeren Drehbewegung der Antriebswelle eine geringe Umlaufbewegung der Umlaufzahnräder und somit eine geringe Drehbewegung der Abtriebswelle erreicht werden. Hierdurch wird eine hohe Untersetzung erreicht. Somit können als Antrieb schnell laufende Motoren mit geringem Drehmoment verwendet werden, wobei aufgrund der hohen Untersetzung eine kleine, genau positionierbare Verdrehung mit relativ hohem Drehmoment erreicht werden kann. Hierbei können zum Beispiel bei Zähnezahlen der Kegelverzahnungsbereiche im Bereich von 30 bis 40, einem Zähnezahlunterschied der Kegelver zahnungsbereiche eines Verstellzahnrades von 1 oder 2 und Zähnezahlen der Antriebskegelverzahnung und der Umlaufkegelverzahnungen von 10 bis 20 Untersetzungen von zum Beispiel über 50, vorzugsweise über 100, zum Beispiel im Bereich von 150 bis 200, erreicht werden.

Neben dem Abtrieb über die als Steg des Umlaufgetriebes wirkende Abtriebswelle ist grundsätzlich auch ein weiterer Abtrieb von einem oder beiden Verstellzahnrädern möglich. Von den Verstellzahnrädern können hierbei Abtriebe mit unterschiedlichen Drehrichtungen genommen werden.

Somit kann mit wenigen, kostengünstig herstellbaren Teilen (im Wesentlichen einige Kegelzahnräder) eine leichtgängige, kleinbauende Verstellvorrichtung mit geringer Masse verwirklicht werden, die dennoch robust ist, große Drehmomente übertragen kann und eine präzise Positionsverstellung gewährleistet, vorzugsweise in jeder Position fest hemmt, und eine geringe Reibung aufweist. Die Verstellvorrichtung ist hierbei leicht zu montieren und einfach zu handhaben. Sie kann insbesondere als kleinbauendes Winkelgetriebe verwendet werden. Dieses weist gegenüber einem herkömmlichen Schneckengetriebe vorteilhafter Weise eine höhere Untersetzung und einen höheren Wirkungsgrad auf. Aufgrund der hohen Untersetzung können als Antrieb somit kostengünstige Motoren, insbesondere Elektromotoren, mit hohen Drehzahlen und geringem Drehmoment verwendet werden.

Die Kegelverzahnungsbereiche und/oder die Umlaufkegelverzahnungen und/oder die Antriebskegelverzahnung weisen vorteilhafter Weise eine Palloidalverzahnung auf. Das erfindungsgemäße System kann insbesondere ohne besondere Schmierung auskommen; es ist jedoch eine zusätzliche Schmierung grundsätzlich möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine teilweise in axialer Richtung auseinander gezogene Darstellung der Verstellvorrichtung von 1 mit teilweise aufgebrochenem Gehäuse;
3a, b eine Draufsicht und Seitenansicht eines ersten Verstellzahnrades und der Antriebswelle mit Antriebskegelzahnrad;
4 eine Draufsicht entsprechend 3 mit Antriebswelle und Umlaufzahnrädern;
5a, b einen Axialschnitt und eine Seitenansicht einer Abtriebswelle mit Stiften und aufgesetzten Umlaufzahnrädern.
Gemäß den 1 und 2 weist ein erstes Verstellzahnrad 1 eine erste Kegelverzahnung auf, die in einen ersten radial äußeren Kegelverzahnungsbereich 4 und einen ersten radial inneren Kegelverzahnungsbereich 5 unterteilt ist. Ein zweites Verstellzahnrad 2 weist entsprechend eine zweite Kegelverzahnung mit einem zweiten radial äußeren Kegelverzahnungsbereich 6 und einem zweiten radial inneren Kegelverzahnungsbereich 7 auf. In dieser Ausführungsform weisen die beiden zweiten Kegelverzahnungsbereiche 6, 7 gleiche Zähnezahlen auf und sind als einheitlicher zweiter Kegelverzahnungsbereich ausgebildet. Die beiden Verstellzahnräder sind auf einer gemeinsamen Achse A mit einander zugewandten Kegelverzahnungsbereichen angeordnet.
Auf einer gehäuseseitig gelagerten Antriebswelle 3 ist eine Antriebskegelverzahnung 14 ausgebildet, zum Beispiel durch ein auf die Antriebswelle aufgesetztes Antriebskegelzahnrad. Die Antriebswelle 3 ist hierbei rechtwinklig zu der Achse A der beiden Verstellzahnräder angeordnet. Die Antriebskegelverzahnung ist mit den beiden radial äußeren Kegelverzahnungsbereichen 4, 6 in Eingriff und bildet mit diesen ein radial äußeres Zahnradsystem.
Eine Abtriebswelle 11 ist koaxial mit den beiden Verstellzahnrädern 1, 2 angeordnet und kann sich beispielsweise wie in den 1, 2 gezeigt durch beide Verstellzahnräder hindurch erstrecken. An der Abtriebswelle 11 sind zum Beispiel sechs radial nach außen abstehende Stifte 8 angebracht, die vorteilhafter Weise gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandet sind. Auf den Stiften 8 sind Umlaufzahnräder 10a-f drehbar gelagert und radial nach außen durch Sicherungsscheiben 12 verliersicher gehalten. Die Umlaufzahnräder weisen Umlaufkegelverzahnungen 9 auf, die mit den beiden radial inneren Kegelverzahnungsbereichen 5, 7 der Verstellzahnräder in Eingriff sind und ein radial inneres Zahnradsystem bilden. Hierbei ist in den 1, 2, 4 zufälliger Weise eine Position des Umlaufzahnrades 10f gezeigt, bei der dieses koaxial mit der Antriebswelle 3 liegt, so dass die Antriebskegelverzahnung 14 und die Umlaufkegelverzahnung 9 fluchten; die Antriebswelle 3 und die Umlaufzahnräder 10a-f sind jedoch in radialer Richtung der Achse Verstellzahnräder getrennt und nicht miteinander verbunden.
Ein erstes Gehäuseteil 15 und ein zweites Gehäuseteil 16 umgeben die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung und weisen Auslassöffnungen für die Antriebswelle 3 und die Abtriebswelle 11 auf, die ergänzend zum Beispiel durch Dichtungen abgedichtet sein können.
Erfindungsgemäß weisen die beiden radial inneren Kegelverzahnungsbereiche 5, 7 und/oder die beiden radial äußeren Kegelverzahnungsbereiche 4, 6 unterschiedliche Zähnezahlen auf. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die beiden zweiten Kegelverzahnungsbereiche 6, 7 als einheitliche Kegelverzahnung mit gleicher Zähnezahl, und die beiden ersten Kegelverzahnungen 4, 5 mit unterschiedlichen Zähnezahlen ausgebildet. Hierbei können zum Beispiel die Zähnezahlen des ersten radial inneren Kegelverzahnungsbereiches 5 und der zweiten Kegelverzahnungsbereiche 6, 7 gleich sein, oder aber es können die Zähnezahlen des ersten radial äußeren Kegelverzahnungsbereiches 4 und der zweiten Kegelverzahnungsbereiche 6, 7 gleich sein.
Die Verstellzahnräder 1, 2 führen gegenüber der zwischen ihnen liegenden, gehäuseseitig gelagerten Antriebswelle 3 eine gegenläufige Drehbewegung durch. Falls die Zähnezahlen der beiden äußeren Kegelverzahnungsbereiche gleich sind, drehen die Verstellzahnräder gegensinnig mit gleicher Drehzahl. Sind diese Zähnezahlen ungleich, dreht das Verstellzahnrad, dessen äußerer Kegelverzahnungsbereich eine größere Zähnezahl aufweist, entsprechend langsamer. Weiterhin führen die Umlaufzahnräder 10a-f gegenüber der zwischen ihnen liegenden Antriebswelle 3 eine gegenläufige Drehbewegung durch. Bei gleichen Zähnezahlen der beiden inneren Kegelverzahnungsbereiche 5, 7 drehen die Verstellzahnräder 1, 2 auch gegenüber den Umlaufzahnrädern gegensinnig mit gleicher Drehzahl, bei einer ungleichen Zähnezahl drehen sie entsprechend mit unterschiedlichen Beträgen der Winkelgeschwindigkeit.
Würden die beiden inneren Kegelverzahnungsbereiche gleiche Zähnezahlen aufweisen und die beiden äußeren Kegelverzahnungsbereiche gleiche Zähnezahlen aufweisen, würden die Umlaufzahnräder – wie die Antriebswelle – lediglich als Gelegeräder um ihre eigenen Achsen rotieren und somit keine Umlaufbewegung um die Achse A durchführen. Aufgrund des genannten Zähnezahlunterschiedes zwischen den beiden inneren und/oder den beiden äußeren Kegelverzahnungsbereichen werden die Umlaufzahnräder jedoch zu einer Umlaufbewegung um die Achse A gezwungen.
Eine hohe Untersetzung kann nunmehr durch einen geringen Zähnezahlunterschied bewirkt werden, der insbesondere 1 oder 2 betragen kann.
Es ergeben sich für folgende Zähnezahlen z9 der Umlaufzahnräder, z14 der Antriebsverzahnung und z4, z5, z6, z7 der betreffenden Kegelverzahnungsbereiche 4, 5, 6, 7 und z9=z14 folgende Untersetzungen i:
Mit z9=14, z4=37, z5=36, z6=z7=36 eine Untersetzung von ca. i=190,
Mit z9=14, z4=36, z5=35, z6=z7=35 eine Untersetzung von ca. i=180,
Mit z9=14, z4=35, z5=34, z6=z7=34 eine Untersetzung von ca. i=170,
Mit z9=14, z4=36, z5=34, z6=z7=34 eine Untersetzung von ca. i=93,
Mit z9=14, z4=36, z5=34, z6=34, z7=35 eine Untersetzung von ca. i=60.

1: erstes Verstellzahnrad
2: zweites Verstellzahnrad
3: Antriebswelle
4: erster äußerer Kegelverzahnungsbereich
5: erster innerer Kegelverzahnungsbereich
6: zweiter äußerer Kegelverzahnungsbereich
7: zweiter innerer Kegelverzahnungsbereich
8: Stifte
9: Umlaufkegelverzahnung
10: Umlaufzahnräder
11: Antriebswelle
12: Sicherungsscheiben
13: Lager
14: Antriebskegelverzahnung
15: erste Gehäusehälfte
16: zweite Gehäusehälfte

Claims

Verstellvorrichtung, mit • einem ersten Verstellzahnrad (1) und einem zweiten Verstellzahnrad (2), wobei das erste Verstellzahnrad (1) mindestens einen ersten radial äußeren Kegelverzahnungsbereich (4) und einen ersten radial inneren Kegelverzahnungsbereich (5) aufweist und das zweite Verstellzahnrad (2) mindestens einen zweiten radial äußeren Kegelverzahnungsbereich (6) und einen zweiten radial inneren Kegelverzahnungsbereich (7) aufweist, • einer Antriebswelle (3) mit einer Antriebskegelverzahnung (14), die in Eingriff mit dem ersten und zweiten radial äußeren Kegelverzahnungsbereich (4, 6) der Verstellzahnräder (1, 2) ist, und • einer Abtriebswelle (11), die konzentrisch zu den Verstellzahnrädern (1, 2) angeordnet ist und radial nach außen abstehende Stifte (8) aufweist, auf denen mindestens zwei Umlaufzahnräder (10a-f) drehbar auf Stiften (8) gelagert sind, wobei die Umlaufzahnräder (10a-f) Umlaufkegelverzahnungen (9) aufweisen, die mit den radial inneren Kegelverzahnungsbereichen (5, 7) in Eingriff sind, dadurch gekennzeichnet, dass • die ersten Kegelverzahnungsbereiche (4, 5) unterschiedliche Zähnezahlen und die zweiten Kegelverzahnungsbereiche (6, 7) gleiche Zähnezahlen aufweisen und die radial inneren oder radial äußeren Kegelverzahnungsbereiche (5, 7; 4, 6) unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen und • der zweite radial innere Kegelverzahnungsbereich (7) und der zweite radial äußere Kegelverzahnungsbereich (6) als eine einheitliche zweite Kegelverzahnung ausgebildet sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sechs Umlaufzahnräder (10a-f) vorgesehen sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelverzahnungsbereiche (5, 7; 4, 6) und/oder die Umlaufkegelverzahnungen (9) und/oder die Antriebskegelverzahnung (14) eine Palloidalverzahnung aufweisen.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied in den Zähnezahlen der inneren und äußeren ersten Kegelverzahnungsbereiche (4, 5) eins beträgt.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskegelverzahnung (14) und die Umlaufkegelverzahnungen (9) gleiche Zähnezahlen aufweisen.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Zähnezahlen der Kegelverzahnungsbereiche (4, 5, 6, 7) und der Zähnezahlen der Umlaufkegelverzahnung (9) oder Antriebskegelverzahnung (14) in einem Bereich von 3:1 bis 2:1 liegt.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der beiden Verstellzahnräder (1, 2) mit einer zweiten Abtriebswelle verbunden ist.