DE10105068A1 - Drehzahluntersetzungsgetriebe mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln - Google Patents

Abstract

Da in einem Drehzahluntersetzungsgetriebe zwischen äußeren Zahnrädern und einem Antriebszahnrad Mitläuferzahnräder vorgesehen sind, die mit diesen Zahnrädern kämmen, kann eine Verringerung des Durchmessers der äußeren Zahnräder und des Antriebszahnrades einfach erzielt werden. Folglich werden das Trägheitsmoment und die Größe eines dem Antrieb des Antriebszahnrades dienenden Servomotors geringer, ferner können Schwingungen und Geräusche, die durch den Eingriff erzeugt werden, verringert werden. Der radiale Abstand zwischen einer Kurbelwelle und der Mittelachse des Drehzahluntersetzungsgetriebes kann einfach erhöht werden, wodurch die Starrheit des Drehzahluntersetzungsgetriebes in Umfangsrichtung verbessert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Drehzahluntersetzungsgetriebe, bei dem die Drehzahluntersetzung durch exzentrisch umlau­ fende Ritzel erzielt wird.

Im allgemeinen werden Untersetzungsgetriebe mit exzen­ trisch umlaufenden Ritzeln in verschiedenen Anwendungen, insbesondere als Untersetzungsgetriebe für die Robotik verwendet, weil sie kompakt sind und dennoch ein hohes Untersetzungsverhältnis schaffen.

Auf dem Markt erhältliche Untersetzungsgetriebe 11 mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln besitzen jedoch den Nachteil, daß ihre Starrheit in Drehrichtung, die eine wichtige Eigenschaft für ein Untersetzungsgetriebe für die Robotik ist, gering ist, da der radiale Abstand L zwischen der Kurbelwelle 12 und der Mittelachse Z des Untersetzungsgetriebes 11 verhältnismäßig gering ist, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems besteht darin, sowohl für das externe Zahnrad 14, das an der Kurbelwelle 12 befestigt ist, als auch für ein Antriebs­ zahnrad 15, das mit dem externen Zahnrad 14 kämmt, Zahn­ räder mit großem Durchmesser zu verwenden, um den obenge­ nannten radialen Abstand L zu erhöhen, wie in Fig. 4 gezeigt ist, um dadurch die Starrheit des Untersetzungs­ getriebes 11 in Drehrichtung zu verbessern.

Ein solches Untersetzungsgetriebe 11 mit einem externen Zahnrad 14 und einem Antriebszahnrad 15 mit großem Durch­ messer weist jedoch das Problem auf, daß es aufgrund dieser großen Zahnräder ein großes Trägheitsmoment be­ sitzt, so daß es bei einer Beschleunigung und einer Verzögerung zu Erzeugung starker Schwingungen neigt und außerdem einen größeren Servomotor erfordert, um das Antriebszahnrad 15 anzutreiben. Da darüber hinaus das externe Zahnrad 14 und das Antriebszahnrad 15 groß sind, kann das externe Zahnrad 14 mit der äußeren Umgebung in Konflikt geraten, ferner können aufgrund der hohen Um­ fangsgeschwindigkeit Geräusche erzeugt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drehzahluntersetzungsgetriebe mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln zu schaffen, das geringe Schwingungen und geringe Geräusche erzeugt, trotz seiner Kompaktheit und Wirt­ schaftlichkeit eine hohe Starrheit in Umfangsrichtung besitzt und trotz der Erhöhung des radialen Abstandes ein zur Mittelachse des Untersetzungsgetriebes konzentrisches Antriebszahnrad besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Drehzahluntersetzungsgetriebe mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Drehzahluntersetzungsgetriebe mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln umfaßt in einer bevorzug­ ten Ausführungsform ein zylindrisches Element mit einer Innenzahnung an seiner inneren Umfangsfläche, Ritzel mit einer Außenzahnung, die mit der Innenzahnung kämmen, wobei die Ritzel Zähne in einer Anzahl aufweisen, die geringer als die Anzahl der Zähne der Innenzahnung ist, einen Träger, der Stützen besitzt, die in axialer Rich­ tung durch die Ritzel verlaufen, mehrere Kurbelwellen, die in Umfangsrichtung in im wesentlichen gleichem Win­ kelabstand angeordnet sind und an ihren beiden axialen Enden durch den Träger drehbar unterstützt sind und im wesentlichen in der axialen Mitte durch die Ritzel ver­ laufen und die Ritzel zu einem exzentrischen Umlaufen veranlassen, wenn sie sich drehen, äußere Zahnräder, die jeweils an einem axialen Ende einer der Kurbelwellen be­ festigt sind, ein Antriebszahnrad, das sich an einer von den äußeren Zahnrädern umgebenden Position befindet, und mehrere Mitläuferzahnräder, wovon jedes durch den Träger in der Weise drehbar unterstützt ist, daß es sich zwi­ schen einem entsprechenden der äußeren Zahnräder und dem Antriebszahnrad befindet und mit diesen Zahnrädern kämmt. Die Drehung des Antriebszahnrades wird über die Mitläu­ ferzahnräder und die äußeren Zahnräder an die Kurbelwel­ len übertragen, wodurch die Ritzel zu einem exzentrischen Umlaufen veranlaßt werden. Die Geschwindigkeit des exzen­ trischen Umlaufs der Ritzel wird durch die Außen- und die Innenzahnungen reduziert, so daß sich das zylindrische Element oder der Träger mit niedriger Drehzahl drehen können.

Durch die Mitläuferzahnräder, die sich zwischen den an den jeweiligen Kurbelwellen befestigten äußeren Zahnrä­ dern und dem Antriebszahnrad befinden und mit diesen kämmen, kann die Verringerung der Durchmesser der äußeren Zahnräder und des Antriebszahnrades einfach erzielt werden. Als Folge davon nehmen sowohl das Trägheitsmoment des Antriebszahnrades als auch die Schwingungen während einer Beschleunigung und einer Verzögerung ab, so daß die Größe des Servomotors verringert werden kann. Durch die Verringerung des Durchmessers der äußeren Zahnräder und des Antriebszahnrades wird auch die Umfangsgeschwindig­ keit der äußeren Zahnräder und des Antriebszahnrades verringert, wodurch wiederum die Geräusche verringert wird und folglich die Arbeitsumgebung verbessert werden. Durch die Mitläuferzahnräder wird der Abstand zwischen der Kurbelwelle und der Mittelachse des Untersetzungsge­ triebes in radialer Richtung erhöht, was zu einer Verbes­ serung der Starrheit des Drehzahluntersetzungsgetriebes in Umfangsrichtung beiträgt.

Damit sich die Ritzel gleichmäßig drehen, müssen die Drehphasen der drei Kurbelwellen vollständig in Überein­ stimmung sein, wobei diese Forderung jedoch ohne weiteres erzielt werden kann, wenn das Drehzahluntersetzungsge­ triebe den in Fig. 2 erwähnten Aufbau besitzt.

Die Anmeldung bezieht sich auf den Gegenstand von JP Hei 2000-29478-A (eingereicht am 7. Februar 2000), der hiermit durch Literaturhinweis als Ganzes eingefügt ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut­ lich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die auf die Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Drehzahluntersetzungs­ getriebes mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Stirnansicht der Drehzahluntersetzungsein­ heit der vorderen Stufe;

Fig. 3 die bereits erwähnte Ansicht eines Drehzahlunter­ setzungsgetriebes mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln; und

Fig. 4 die bereits erwähnte Ansicht einer möglichen Abwandlung des Drehzahluntersetzungsgetriebes mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln nach Fig. 3.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Flansch des Servomotors, der später beschrieben wird, sowie ein zylindrisches Element 22, das an einem (nicht gezeigten) Roboterarm und außerdem an einem Ende des Flansches 21 befestigt ist. Mehrere Stifte 23 mit Innenzahnung, die in das zylindri­ sche Element 22 längs seiner inneren Umfangsfläche halb eingeschoben und daran befestigt sind, schaffen eine In­ nenzahnung, wobei diese Stifte 23 mit Innengewinde axial verlaufen und in Umfangsrichtung im wesentlichen gleich­ mäßig beabstandet sind. Das zylindrische Element 22 enthält zwei ringförmige Ritzel 24 und 25, die axial voneinander beabstandet sind und an ihren äußeren Um­ fangsflächen Außenzahnungen 26 bzw. 27 aufweisen, die jeweils eine Anzahl Zähne besitzen, die etwas geringer als die Anzahl der Zähne der Innenzahnung der Stifte 23 ist. Die Außenzahnungen 26 und 27 dieser beiden Ritzel 24 bzw. 25 kämmen mit der Innenzahnung der Stifte 23 des zylindrischen Elements 22, wobei die Punkte auf den Ritzeln 24 und 25, an denen der Eingriff am tiefsten ist, um einen Phasenwinkel von im wesentlichen 180 Grad beab­ standet sind.

Die Ritzel 24 und 25 besitzen mehrere Mitläuferlöcher 31 und Durchgangslöcher 32, die in Umfangsrichtung abwech­ selnd ausgebildet sind. An einem (nicht gezeigten) sta­ tionären Roboterelement ist ein im zylindrischen Element 22 eingeschlossener Träger 35 befestigt, der aus einem Paar kreisförmiger, scheibenförmiger Stirnplatten 36 und 37 gebildet ist, die an den beiden axial äußeren Seiten der Ritzel 24 und 25 angeordnet sind, ferner weist der Träger 35 Stützen 39 auf, wovon ein Ende mit der Stirn­ platte 36 einteilig ausgebildet ist und das andere Ende durch mehrere Schraubbolzen 38 mit der Stirnplatte 37 verbunden ist. Die Stützen 39, die die Stirnplatten 36 und 37 verbinden, verlaufen axial und sind in die Mitläu­ ferlöcher 31 der Ritzel 24 und 25 mit Spiel eingesetzt. Zwischen den äußeren Umfangsflächen der Stirnplatten 36 und 37 und der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Elements 22 sind Lager 40 bzw. 41 vorgesehen, so daß das zylindrische Element 22 durch den Träger 35 mittels dieser Lager 40 und 41 drehbar unterstützt ist.

In Umfangsrichtung sind mehrere (in Übereinstimmung mit den Durchgangslöchern 32 im vorliegenden Fall: drei) Kurbelwellen 45 in im wesentlichen gleichem Winkelabstand angeordnet, wobei ein axiales Ende einer Kurbelwelle 45 durch die Stirnplatte 36 über ein Lager 46 drehbar unter­ stützt ist, während das andere axiale Ende durch die Stirnplatte 37 über ein Lager 47 drehbar unterstützt ist. Jede Kurbelwelle 45 besitzt zwei exzentrische Nocken 48 und 49, die von der Mittelachse der Kurbelwelle 45 in der axialen Mitte der Welle um eine jeweils im wesentlichen gleiche Strecke versetzt sind, wobei diese exzentrischen Nocken 48 und 49 um einen Phasenwinkel von im wesentli­ chen 180 Grad beabstandet sind. Die Mitte der Kurbelwelle 45, d. h. die exzentrischen Nocken 48 und 49, sind über Wälzlager 51 bzw. 52 in die Durchgangslöcher 32 der Ritzel 24 und 25 eingesetzt. Wenn sich diese Kurbelwellen 45 mit im wesentlichen konstanter Drehzahl in der glei­ chen Richtung drehen, laufen die Ritzel 24 und 25 mit einem Phasenunterschied von im wesentlichen 180 Grad exzentrisch um.

An einem axialen Ende jeder Kurbelwelle 45, das von der Stirnplatte 37 zur anderen Seite vorsteht, ist jeweils ein äußeres Zahnrad 55 befestigt. Diese äußeren Zahnräder 55 sind auf einem Kreis in im wesentlichen gleichem Winkelabstand angeordnet. Durch den Flansch 21 ist über ein Lager 57 eine Antriebswelle 56 drehbar unterstützt, die durch einen (nicht gezeigten) Servomotor angetrieben wird. An einem Ende der äußeren Umfangsfläche der An­ triebswelle 56 ist eine Außenzahnung mit einer großen Anzahl von Zähnen ausgebildet, die ein Antriebszahnrad 58 bilden, das sich dreht. Das Antriebszahnrad 58 ist von den äußeren Zahnrädern 55 umgeben und zum zylindrischen Element 22 konzentrisch.

An der Stirnplatte 37 sind mehrere (in der Anzahl der äußeren Zahnräder 55) Unterstützungswellen 60 befestigt, während das andere Ende jeder Unterstützungswelle 60 über ein Wälzlager 61 ein Mitläuferzahnrad 62 drehbar unter­ stützt. Folglich sind diese mehreren (in der Anzahl der äußeren Zahnräder 55) Mitläuferzahnräder 62 durch den Träger 35 über die Unterstützungswellen 60 drehbar unter­ stützt. Diese Mitläuferzahnräder 62 sind zwischen den äußeren Zahnrädern 55 und dem Antriebszahnrad 58 in der Weise vorgesehen, daß sich ihre Drehachsen auf geraden Linien befinden, die die Drehachsen der äußeren Zahnräder 55 und des Antriebszahnrades 58 verbinden, so daß sie sowohl mit den äußeren Zahnrädern 55 als auch mit dem Antriebszahnrad 58 kämmen. Diese äußeren Zahnräder 55, das Antriebszahnrad 58 und die Mitläuferzahnräder 62 bilden eine Drehzahluntersetzungseinheit 63 der vorderen Stufe, während das zylindrische Element 22, die Ritzel 24 und 25, der Träger 35, die Kurbelwellen 45 und die Dreh­ zahluntersetzungseinheit 63 der vorderen Stufe zusammen ein Drehzahluntersetzungsgetriebe 64 mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln bilden.

Damit sich die Ritzel 24 und 25 gleichmäßig drehen, müssen die Drehphasen sämtlicher (im vorliegenden Fall: dreier) in Winkelrichtung im wesentlichen gleichmäßig beabstandeter Kurbelwellen 45 vollständig übereinstimmen. Der Aufbau, mit dem diese Bedingungen der Drehzahlunter­ setzungseinheit 63 der vorderen Stufe erzielt werden, ist der folgende: Wenn die Anzahl der Zähne des Antriebszahn­ rades 58 durch A gegeben ist, die Anzahl der Zähne des äußeren Zahnrades 55 durch B gegeben ist und die Anzahl der Zähne des Mitläuferzahnrades 62 durch C gegeben ist, lauten die Bedingungen: (1) Wenn sich das Antriebszahnrad 58 zwischen irgendeinem Paar äußerer Zahnräder 55 der drei äußeren Zahnräder 55 im Uhrzeigersinn dreht, ist der Wert, der aus einer der beiden folgenden Gleichungen (1) und (2) erhalten wird, eine positive ganze Zahl; (2) wenn sich das Antriebszahnrad 58 zwischen demselben Paar äuße­ rer Zahnräder 55 im Gegenuhrzeigersinn dreht, ist der Wert der jeweils anderen Gleichung ebenfalls eine posi­ tive ganze Zahl:

N = (2A + B)/3 + C (1)

P = (A + 2B)/3 + C (2)

Falls die Gleichung (1) unter Verwendung einer positiven ganzen Zahl M = N - C umgeschrieben wird, wird die fol­ gende Gleichung (3) erhalten:

2A + B = 3M (3)

Falls in ähnlicher Weise die Gleichung (2) unter Verwen­ dung einer positiven ganzen Zahl Q = P - C umgeschrieben wird, wird die folgende Gleichung (4) erhalten:

A + 2B = 3Q (4)

Falls die Anzahl der Zähne des Antriebszahnrades 58 und die Anzahl der Zähne des äußeren Zahnrades 55 die obigen Gleichungen (3) und (4) erfüllen und die Drehrichtung des Antriebszahnrades 58 umgekehrt wird, werden die Montage­ bedingungen erfüllt und sind die Drehphasen der drei Kurbelwellen 55 in vollständiger Übereinstimmung, so daß sich die Ritzel 24 und 25 gleichmäßig drehen.

Nun wird die Funktionsweise dieser Ausführungsform der Erfindung beschrieben.

Wenn die Drehzahl unter Verwendung des Drehzahlunterset­ zungsgetriebes 64 mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln reduziert wird, werden die Antriebswelle 56 und das An­ triebszahnrad 58 durch einen (nicht gezeigten) Servomotor angetrieben, wobei die Drehung dieses Antriebszahnrades 58 über die Mitläuferzahnräder 62 und die äußeren Zahnrä­ der 55 an die Kurbelwellen 45 übertragen wird. Folglich drehen sich alle Kurbelwellen 45 um die Mittelachse in der gleichen Richtung und mit im wesentlichen der glei­ chen Geschwindigkeit. Die exzentrischen Nocken 48 und 49 der Kurbelwellen 45 drehen sich in den Durchgangslöchern 32 der Ritzel 24 und 25 exzentrisch und bewirken, daß die Ritzel 24 und 25 exzentrisch umlaufen. Da die Anzahl der Zähne der äußeren Zahnungen 26 und 27 etwas kleiner als die Anzahl der Zähne der Innenzahnung der Stifte 23 ist, wird die Geschwindigkeit des exzentrischen Umlaufs der Ritzel 24 und 25 durch die äußeren Zahnungen 26 und 27 und die Innenzahnung der Stifte 23 mit hohem Unterset­ zungsverhältnis reduziert und an das zylindrische Element 22 übertragen, so daß sich das zylindrische Element 22 mit niedriger Drehzahl dreht.

Da die Mitläuferzahnräder 62 zwischen den an den Kurbel­ wellen 45 befestigten äußeren Zahnrädern 55 und dem Antriebszahnrad 58 vorgesehen sind, um sowohl mit den äußeren Zahnrädern 55 als auch mit dem Antriebszahnrad 58 zu kämmen, kann der Durchmesser der äußeren Zahnräder 55 und des Antriebszahnrades 58 ohne weiteres verringert werden. Folglich können das Trägheitsmoment des Antriebs­ zahnrades 58 und die Schwingungen während einer Beschleu­ nigung und einer Verzögerung verringert werden, so daß der Servomotor, der für den Antrieb des Antriebszahnrades 58 verwendet wird, eine ausreichend geringe Größe erhal­ ten kann. Darüber hinaus werden durch die Verringerung des Durchmessers der äußeren Zahnräder 55 und des An­ triebszahnrades 58 die Umfangsgeschwindigkeit und die Geräusche verringert, was eine bessere Arbeitsumgebung schafft. Weiterhin ermöglicht die Verwendung der Mitläu­ ferzahnräder 62 eine Erhöhung des radialen Abstandes L zwischen den Kurbelwellen 45 und der Mittelachse Z des Drehzahluntersetzungsgetriebes 64, wodurch wiederum die Umfangsstarrheit des Drehzahluntersetzungsgetriebes 64 verbessert wird.

Obwohl beschriebenen Fall das zylindrische Element 22 drehbar ist und der Träger 35 unbeweglich ist, wobei die Drehung, mit der die Kurbelwellen 45 beaufschlagt werden, durch die Ritzel 24 und 25 drehzahluntersetzt wird und an das zylindrische Element 22 ausgegeben wird, können statt dessen das zylindrische Element unbeweglich und der Träger drehbar sein, so daß die Drehung, mit der die Kurbelwellen beaufschlagt werden, drehzahluntersetzt und an den Träger ausgegeben werden kann.

Wie oben beschrieben worden ist, schafft die Erfindung ein kompaktes und kostengünstiges Drehzahluntersetzungs­ getriebe mit geringeren Schwingungen und geringeren Geräuschen sowie mit hoher Starrheit in Umfangsrichtung.

Claims (5)

1. Drehzahluntersetzungsgetriebe mit exzentrisch umlaufenden Ritzeln, mit
einem zylindrischen Element (22), das an seiner inneren Umfangsfläche eine Innenzahnung (23) aufweist,
Ritzeln (24, 25), die jeweils eine Außenzahnung (26, 27) aufweisen, die mit der Innenzahnung (23) des zylindrischen Elements (22) kämmt,
einem Träger (35) mit Stützen (39), die axial durch die Ritzel (24, 25) verlaufen,
mehreren Kurbelwellen (45), die in Umfangsrich­ tung in im wesentlichen gleichem Winkelabstand angeordnet sind, wobei jede der Kurbelwellen (45) an ihren beiden axialen Enden durch den Träger (35) unterstützt ist und der axiale Mittelabschnitt durch die Ritzel (24, 25) verläuft,
äußeren Zahnrädern (55), wovon jedes an einem axialen Ende einer der Kurbelwellen (45) befestigt ist, und
einem Antriebszahnrad (58), das sich an einer von den äußeren Zahnrädern (55) umgebenen Position befindet,
gekennzeichnet durch
mehrere Mitläuferzahnräder (62), wovon jedes durch den Träger (35) in der Weise drehbar unterstützt ist, daß es sich zwischen dem Antriebszahnrad (58) und einem entsprechenden der äußeren Zahnräder (55) befindet und mit diesen kämmt.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Zähne jedes Ritzels (24, 25) etwas geringer als die Anzahl der Zähne der Innenzahnung (23) ist.

3. Getriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Kurbelwellen (45) ein exzentrisches Umlaufen der Ritzel (24, 25) bewirkt.

4. Getriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Antriebszahnrades (58) über die Mitläuferzahnräder (62) und die äußeren Zahnräder (55) an die Kurbelwellen (45) übertragen wird, damit die Ritzel (24, 25) exzentrisch umlaufen, wobei die Geschwindigkeit des exzentrischen Umlaufs durch die Außen- und Innenzah­ nungen (26, 27; 23) verringert wird und somit die Drehung des zylindrischen Elements (22) oder des Trägers (35) mit geringer Geschwindigkeit erfolgt.

5. Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Kurbelwellen (45) drei Kurbelwellen umfassen, die in Umfangsrichtung in im wesentlichen gleichem Winkelabstand angeordnet sind, und die folgenden Gleichungen erfüllt sind:
2A + B = 3M
A + 2B = 3Q
wobei A die Anzahl der Zähne des Antriebszahnrades (58) ist, B die Anzahl der Zähne jedes äußeren Zahnrades (55) ist und M und Q positive ganze Zahlen sind.