DE10151878C2 - Mehrstufiges Getriebe mit Wellgetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Getriebe gemäß dem Hauptpatent DE 101 05 814 C1.

Die Funktion eines - auch als Harmonic Drive oder als Ringband-Getriebe bekannten - Wellgetriebes als trotz einstufiger Auslegung sehr stark untersetzendem, selbsthemmen­ dem System mit zur Antriebswelle koaxialer Abtriebswelle beruht darauf, daß ein rotierend angetriebener so genannter Well-Generator einen auch als Flexband bezeichneten Innen­ rad-Reifen umlaufend radial verformt und dadurch dessen Außenmantelfläche umlaufend lokal nach außen gegen die hohlzylindrische Innenmantelfläche geringfügig größeren Um­ fanges eines gehäusefest stationären, als formstabiler Stützring dienenden Hohlrades an­ drückt. Infolgedessen wälzt sich das Innenrad selbst oder ein darauf verdrehbar gelagerter Radreifen bzw. Riemen kraftschlüssig über Reibflächen oder z. B. als Zahnriemen form­ schlüssig über Verzahnungen im Stützring ab, wobei das Rad bzw. sein Reifen sich nach Maßgabe der Umfangs- bzw. Zähnedifferenz zwischen Stützring und Innenrad langsamer als der motorisch angetriebene Triebkern des Wellgenerators dreht. Diese gegenüber dem Antrieb stark verlangsamte Drehbewegung wird vorzugsweise über eine Außenverzahnung des Innenrad-Reifens auf die Innenverzahnung eines weiteren Außenringes, des zum Stütz­ ring konzentrischen aber im Gegensatz zu jenem nicht stationär sondern koaxial verdreh­ bar im Getriebegehäuse angeordneten Abtriebsringes übertragen, der z. B. topf oder hau­ benförmig gestaltet und mit einer konzentrisch zur Antriebswelle ihr gegenüber im Getrie­ begehäuse gelagerten Abtriebswelle ausgestattet ist. Im Eingriff vom Innenrad zum Ab­ triebsring kann dabei noch eine weitere Untersetzung der Drehgeschwindigkeit infolge unterschiedlichen Umfanges (also unterschiedlicher Zähnezahl) erfolgen. Der Antrieb des Well-Generators erfolgt üblicherweise über einen koaxial angeflanschten hochtourigen Kleinspannungs-Gleichstrommotor, dessen schnelle Rotation so in eine sehr viel langsame­ re Drehbewegung entsprechend größeren Drehmomentes untersetzt wird, was vielfältig Anwendung etwa als Stellelement für das Motor- und Klimamanagement und für andere insbesondere manuelle Eingriffe ersetzende Funktionen im Kraftfahrzeug findet.

Bei den vom Deutschen Gebrauchsmuster 296 14 738 bekannten und in dem Beitrag "Ge­ nial einfach" von H. Hirn (KEM Antriebstechnik Heft 10/1996) näher beschriebenen Aus­ führungsformen solcher Wellgetriebe wird als Wellgenerator ein unrunder (im Axial- Querschnitt etwa dreieckförmiger oder bevorzugt ovaler) Triebkern konzentrisch in der Nabe eines axial breiten, radial verformbaren Innenrades gedreht. Dieses kann ein einstü­ ckiges Spritzgußteil mit speichenartig radial orientierten Stößeln zwischen der radial ver­ formbaren Innenrad-Nabe und dem ebenfalls radial verformbaren, außen verzahnten Innen­ rad-Reifen sein. Die insoweit in ihrer Längsrichtung formstabilen Speichen zwischen der vom Triebkern umlaufend radial verformten Nabe und dem Reifen bewirken, daß die Au­ ßenverzahnung entsprechend ihrer umlaufenden radialen Verformung jeweils nur über das begrenzte, sich umlaufend verlagernde Bogenstück mit den koaxialen, axial gegeneinander versetzten Innenverzahnungen des Stützringes und des Abtriebsringes in Eingriff gerät. Hinsichtlich einer Lösung der dabei aus der relativ hochfrequenten Wechselbeanspruchung resultierenden thermischen und Standfestigkeits-Probleme wird voll inhaltlich auf die Of­ fenbarung in der eigenen, nicht vorveröffentlichten DE-A 100 27 539 Bezug genommen.

In der DE 197 08 310 A1 ist - als Alternative zum unrunden Triebkern in Gleitreibung zur Innenradnabe - für das umlaufende radiale Verformen des Innenrad-Reifens oder derglei­ chen Flexband auch eine planetenradähnliche Anordnung beschrieben. Die Antriebswelle als Getriebe-Eingangswelle ist hierfür drehstarr mit einem Drehsteg oder mit einem Son­ nenrad zum Verdrehen von zwei oder drei in gleichmäßigem peripherem Abstand achspa­ rallel gelagerten Rollen verbunden, die nun anstelle des gleitenden Kernes im Innern des Flexbandes abwälzen und dieses so wieder an zwei bzw. drei Umfangsstellen radial gegen das Innere der beiden axial einander benachbarten hohlen Außenräder andrücken.

Dagegen sind in der DE 199 14 555 A1 im abtriebsseitigen Ende eines Motorgehäuses ein echtes Planetengetriebe und dann ein Wellgetriebe axial aufeinander folgend unterge­ bracht; mit der Besonderheit, am Wellgenerator ein nur außen gezahntes Flexband einzu­ setzen, in dem als Wellgenerator unverzahnte Rollen ablaufen, die mit den Planetenrädern umlaufend vom Planetensteg gehaltert sind. Das ist allerdings eine hinsichtlich der vielen separat zu erstellenden und zu montierenden Funktionsteile recht aufwendige Konstrukti­ on, welche die Vorteile eines leicht in unterschiedlichen Übersetzungsabstufungen kaska­ dierbaren mehrstufigen Getriebes nach dem Hauptpatent weitgehend wieder aufhebt.

Hinsichtlich äußerst flexibler Einsatzmöglichkeiten bestechend ist nämlich die baukasten­ artige Kaskadierung mehrerer bauartgleicher kleinbauender Wellgetriebe mit Triebkern- Wellgeneratoren gemäß dem Hauptpatent DE-C 101 05 814. Für die praktischen Belange nachteilig bleibt jedoch das an sich vorteilhafte große Untersetzungsverhältnis eines Well­ getriebes von typisch 20 : 1 und 400 : 1, so daß sich durch Kaskadierung nur dieser beiden Standardtypen schon die Abstufungen 20 : 1 - 400 : 1 - 8.000 : 1 - 160.000 : 1 realisieren las­ sen - weshalb aber gerade im Übersetzungs-Mittelbereich vorkommende Abstufungsanfor­ derungen damit u. U. nicht erfüllt werden können.

In Erkenntnis dieser Zusammenhänge setzt die Erfindung ein. Gesucht wird eine insofern einfache Auslegung eines mehrstufigen Wellgetriebes, daß sie sich im Baukastensystem mittels einfacher handwerklicher Maßnahmen funktionszuverlässig kaskadieren läßt und damit zu auch feineren Abstufungen der wirksamen Untersetzungsverhältnisse führt.

Gemäß der im Hauptanspruch angegebenen Kombination der wesentlichen Merkmale ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das mehrstufige Getriebe nach dem Hauptpatent ein zweistufiges Getriebe enthält, das in einem Gehäuse in als solcher bekann­ ter Weise aus einem nicht auf das Flexband arbeitenden, vorgeschalteten konventionellen Planetenradgetriebe vergleichsweise kleinen Untersetzungsverhältnisses und einem Well­ getriebe kombiniert ist, welches infolge eines im Stößelrad rotierenden Triebkernes aus wenigen bewegten Teilen einfach aufgebaut und außerordentlich leicht zusammenbaubar ist. Bei dem Eingangsgetriebe handelt es sich dabei um ein Planetenradgetriebe, dessen Planetensteg mit einem Wellgenerator-Triebkern austauschbar bestückt ist. Wenn für die­ ses Eingangsgetriebe etwa typisch ein Untersetzungsverhältnis 3 : 1 gewählt wird, dann er­ gibt dessen wahlweise Bestückung mit einem der Wellgetriebe vorgenannter Kaskadie­ rungs-Auslegung aus dem Hauptpatent die zusätzlichen Untersetzungs-Stufen 60 : 1 und 1.200 : 1 aus nur zwei kaskadierten Getrieben, so daß mit diesem Baukastensatz nun der untere bis mittlere Bereich ebenfalls gut abgedeckt ist. Hinzu kommt der betriebs­ technische Vorteil, daß infolge der Eingangsuntersetzung die Drehzahl des Wellgenerators spürbar verringert wird, was eine wesentliche Verringerung der thermischen Belastung aufgrund mechanischer Wechselbeanspruchung und eine dementsprechend vergrößerte Standfestigkeit, also Betriebssicherheit zur Folge hat.

Hinsichtlich weiterer Vorteile sowie besonderer Ausbildungen und Weiterbildungen und deren Vorteilen wird auf die nachstehende Be­ schreibung eines bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung Be­ zug genommen. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Axial-Längsschnitt unter Be­ schränkung auf das konstruktiv Wesentliche nicht ganz maßstabsgerecht ein zweistufiges Getriebe, bei dem erfindungsgemäß der Steg eines Planetenrad-Eingangsgetriebes mit dem Triebkern eines Stößelrad-Wellgenerators bestückt ist.

Das in der Zeichnung im Axial-Längsschnitt skizzierte, komplett aus Kunststoff-Spritz­ gußteilen fertigbare zweistufige Getriebe 7 weist hinter einem Planetenradgetriebe 8 als Eingangsgetriebe 9 ein Wellgetriebe 10 im gemeinsamen Gehäuse 11 auf.

Ein zentrales Durchgangs-Loch 13 in einer kreisscheibenförmigen Grundplatte 12 dient dem Eingriff der Antriebswelle 14 eines Antriebsmotors 15 in das Getriebe 7. Der Durch­ messer des Loches 13 ist aber größer als derjenige der Welle 14, so daß hier keine radiale Lagerfunktion auftritt, wenn es sich bei der Antriebswelle 14 um die im Motor 15 gela­ gerte Motorwelle handelt. Andererseits kann die Grundplatte 12 auch unmittelbar Teil des Motor-Lagerschildes und deshalb mit einem Lager 16 ausgerüstet sein.

Die Grundplatte 12 ist in ihrem Randbereich mit Profilierungen zum formschlüssigen Ein­ griff komplementärer Profilierungen im Stirnbereich eines gehäusefest anzuordnenden Stützringes 18 mit formstabilen Innenverzahnungen 19 (19p und 19w) ausgestattet. So kann der Stützring 18 unabhängig vom übrigen Gehäuse 11 in ausgesucht formstabilem Material präzisionsgefertigt und dann konzentrisch zum Durchgangsloch 13 drehstarr an der Grundplatte 12 festgelegt werden. Ein so separat gefertigter und auf die Grundplatte 12 montierter Stützring 18 erbringt gegenüber einem fertigungsseitig in das hohlzylindrische Gehäuse 11 integrierten Stützring u. a. den besonderen Vorteil, dessen Innenverzahnungen 19 präziser formhaltend kreisrund herstellen und dadurch einen formstabil verlustarmen, also auch unter Last besonders geräuscharmen Getriebelauf erreichen zu können. Das ist von besonderer praktischer Bedeutung, wenn die Innenverzahnung 19 des Stützringes 18 gemäß dem skizzierten Ausführungsbeispiel abgestuft ist, weil für die gewünschte Ein­ gangsuntersetzung die Planetenräder 33 innerhalb eines größeren Durchmessers der Innen­ verzahnung 19p umlaufen müssen, als das Flexband 28 in den Innenverzahnungen 10w und 26. Entgegen dieser gezeichneten Abstufung können im Rahmen vorliegender Erfin­ dung bei entsprechenden Übersetzungs- und Auslegungsanforderungen die beiden Innen­ verzahnungen 19 p/w des Stützringes 18 aber auch gleiche Durchmesser aufweisen und dann auch als gemeinsame Verzahnung für das Planeten- und das Wellgetriebe 8, 10 ver­ wirklicht sein, was fertigungstechnische Vorteile erbringt.

In den Stützring 18 ist der Grundplatte 12 gegenüber ein Abtriebsring 27 mit Innenverzah­ nung 26 verdrehbar eingelegt. Der benachbarte Deckel 23 des Gehäuses 11 verschließt dessen freie Stirnseite und damit auch das Getriebe 7. Er enthält die eigentliche Lagerung 24 dieses Getriebes 7, nämlich für seine koaxial zur Motor-Antriebswelle 14 hindurchra­ gende Getriebe-Abtriebswelle 25. Diese ist drehstarr mit einem topf oder haubenförmigen, mit ebenfalls formstabiler Innenverzahnung 26 versehenen Abtriebsring 27 verbunden, der zwischen dem Gehäuse-Stützring 18 und der innenseitigen Oberfläche des Gehäu­ se-Deckels 23 axial geführt ist. Die radiale Halterung des gegenüber dem Gehäuse 11 drehbaren Abtriebsringes 27 erfolgt wie schon erwähnt mittels seiner im Haubenboden verankerten oder einstückig damit ausgebildeten Abtriebswelle 25 in der Gehäuse-Lage­ rung 24.

Innerhalb der beiden koaxial gehalterten, axial einander benachbarten Ringe 18-27 ist das Wellgetriebe 10 mit seinem radial verformbaren Flexband 28 auf einem radial verformbaren Stößelrad 22 angeordnet. Beide sind axial breiter als jede einzelne der beiden einander axial benachbarten formstabilen Innenverzahnungen 19w und 26 der Ringe 18 bzw. 27, so daß die Außenverzahnung 29 des Flexbandes 28 über das (vom Schnitt der Skizze gerade erfaßte) radial ausgebeulte Bogenstück mit jenen beiden Innenverzahnungen 19w, 26 gleichzeitig kämmt. Für das Umlaufen des infolge Radialverformung kämmenden Bogen­ stückes des Flexbandes 28 nimmt die hohle, ebenfalls radial verformbare Nabe 21 des Stö­ ßelrades 22 radial spielfrei einen im Querschnitt unrunden, vorzugsweise ovalen hülsen­ förmigen Triebkern 30 auf.

Der Triebkern 30 wird koaxial zur Getriebeachse 20 austauschbar drehstarr auf Steckbol­ zen 37 vom Planetensteg 35 des Planetenradgetriebes 8 getragen. Dessen drehstarr mit der Antriebswelle 14 verbundenes Sonnenrad 31 treibt zwei einander bezüglich der Getriebe­ achse 20 einander diametral gegenüber am Planetensteg 35 auf Wellen 38 gelagerte Pla­ netenräder 33, die über ihre Stirnverzahnungen 34 zwischen dem Sonnenrad 31 und der gehäusefesten Außenverzahnung 19p ablaufen und so den Planetensteg 35 frei um die Welle 14 drehen. Diese kann wie in der Skizze berücksichtigt zum Vermeiden von Kipp­ momenten im Getriebe 7 durch das Wellgetriebe 10 koaxial frei hindurchgreifen, um sie der Grundplatte 12 gegenüber nahe dem Deckellager 24 im Haubenboden des Abtriebsrin­ ges 27 radial zu lagern.

Zum Zusammenstellen eines solchen zweistufigen Getriebes 7, das sich aufgrund seines moderat vorgebbaren Übersetzungsverhältnisses insbesondere (aber nicht nur) als Ein­ gangsgetriebe für kaskadierte Wellgetriebe nach dem Hauptpatent eignet, braucht lediglich die Antriebswelle 14 mit der Grundplatte 12 und dem Planetenradgetriebe 9 bestückt, dann der Gehäuse-Stützring 18 darüber gestülpt, sodann das Wellgetriebe 10 eingelegt und schließlich der Deckel 23 aufgesetzt zu werden. Die Antriebswelle 14 dreht als erste, ver­ gleichsweise geringfügig untersetzende Stufe des Getriebes 7 mittels des Sonnenrades 31 über die Planetenräder 33 den Planetensteg 35 und somit den davon getragenen Triebkern 30 im Wellgenerator des Wellgetriebes 10. Infolge der dadurch hervorgerufenen umlau­ fenden Radialverformung des Stößelrades 22 wälzt sich dessen Flexband 28 längs der In­ nenverzahnungen 19w und 26 ab und verdreht so mit gegenüber der ersten Stufe sehr gro­ ßer Untersetzung über den Abtriebsring 27 die Abtriebswelle 25.

Claims (1)

1. Mehrstufiges Getriebe (7) mit einem ausgangsseitigen Wellgetriebe (10), das auf einer Grundplatte (12) einen Wellgenerator mit einem unrunden Triebkern (30) in der Nabe (21) eines Stößelrades (22) aufweist (nach Patent DE 101 05 814 C1), dadurch gekennzeichnet, daß in einem gemeinsamen Gehäuse (11) auf der Grundplatte (12) ein Planetenradgetriebe (8) vor dem Wellgetriebe (10) angeordnet ist, dessen Wellgenerator-Triebkern (30) dreh­ fest mit dem Planetensteg (35) des Planetenradgetriebes (8) verbunden auf vom Planeten­ steg (35) zur Getriebeachse (20) parallel gehalterte Stifte (37) austauschbar aufgesteckt ist.