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Die
Erfindung betrifft eine Getriebestufe mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruches 1.
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Aus
der
DE 197 09 852
C2 ist eine Getriebestufe dieser Art bekannt, bei welcher
eine Schnecke auf einer Motorwelle als Antrieb dient und in ein Schneckenrad
als Abtrieb greift. Diese Getriebestufe ist ein integraler Bestandteil
eines Stellantriebs, bei dem das Schneckenrad dann einen Getriebebeschlag
zur Einstellung eines Fahrzeugsitzes antreibt. Durch geeignete Gewindesteigungen
der Schnecke und des Schneckenrades untersetzt die Getriebestufe
die hohe Motordrehzahl in eine kleinere Eingangsdrehzahl des Getriebebeschlags.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Getriebestufe der eingangs
genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Getriebestufe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dadurch,
dass der Antrieb mittels wenigstens eines gesondert ausgebildeten
Wälzkörpers den Abtrieb
unter parallelem Versatz der Achsen um eine Exzentrizität lagert
und bei einer Drehung des so gebildeten Wälzexzenters antreibt, wobei
der angetriebene Abtrieb mittels eines Reibradtaumelgetriebes eine
insbesondere taumelnde Abwälzbewegung
am Gehäuse
vollführt,
wird das Übersetzungsverhältnis gegenüber der
bekannten Getriebestufe vergrößert. Gleichzeitig
wird auch der Wirkungsgrad signifikant verbessert, so dass der Gesamtwirkungsgrad
beispielsweise eines Stellantriebes, in welchem die erfindungsgemäße Getriebestufe
bevor zugt verwendet wird, ebenfalls verbessert wird, was eine Reduzierung
von Gewicht und beanspruchtem Bauraum der benötigten Bauteile erlaubt.
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Die
Abwälzbewegung
des Abtriebs ist in der Regel eine Drehbewegung mit einer überlagerten Taumelbewegung,
jedoch kann die taumelnde Abwälzbewegung
kann durch geeignete Mittel ausgeglichen werden, insbesondere bei
kleiner Exzentrizität, beispielsweise
durch ein Spiel oder geeignete Elastizitäten. Bei größeren Exzentrizitäten kann
auch dem beanspruchten Abtrieb ein weiteres Bauteil nachgeschaltet
sein, welches den eigentlichen Abtrieb der Getriebestufe bildet
und relativ zum beanspruchten Abtrieb eine Drehbewegung mit einer überlagerten Taumelbewegung
vornimmt, relativ zum Antrieb aber eine reine Drehbewegung ausführt.
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Zum
gesamten Übersetzungsverhältnis trägt zu einem
gewissen Anteil der Wälzexzenter
zwischen Antrieb und Abtrieb bei. Gegenüber einem einfachen Abwälzen des
Wälzkörpers sowohl
am Antrieb als auch am Abtrieb werden Verbesserungen durch bevorzugte
Ausbildung einer Nut für
den vorzugsweise kugelförmigen
Wälzkörper an
einem der beiden Bauteile erreicht, indem beispielsweise durch schräge Seitenwände unterschiedliche
Wälzradien eingestellt
werden können.
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Zum
gesamten Übersetzungsverhältnis trägt vorrangig
das Reibradtaumelgetriebe bei, welches bei kleiner Exzentrizität eine geringe,
taumelnde Relativbewegung zwischen Abtrieb und Gehäuse bewirkt.
Ein Wälzpunkt,
welcher vorzugsweise zwischen einem Reifen des Abtriebs und einer
Führung des
Gehäuses
entsteht, dient als Momentanpol der taumelnden Abwälzbewegung
des Abtriebs. Eine vorzugsweise durch ein Verkeilen von Antrieb,
Wälzkörper und
Abtrieb mit einer Drehung des Antriebs aufgebaute Kraft übt im Wälzpunkt
das antreibende Moment auf den Abtrieb aus. Ein Freidrehen des Antriebs
nach Beendigung seiner antreibenden Drehung baut diese Kraft wieder
ab und schont die Bauteile.
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Günstige geometrische
Verhältnisse
sorgen für
eindeutige, berechenbare Relativbewegungen. Durch zwei gegeneinander
verspannte Wälzkörper kann
ein Leerweg am Beginn der Drehung des Antriebs vermieden werden,
und die Getriebestufe wird selbsthemmend. Kombinationen der erfindungsgemäßen Getriebestufe
erfolgen bevorzugt mit elektronisch kommutierten Motoren und selbsthemmenden Getriebebeschlägen mit
Exzenterumlaufgetrieben.
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Im
folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen
Axialschnitt durch das Ausführungsbeispiel
entlang der Linie I-I in 2,
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2 einen
Radialschnitt durch das Ausführungsbeispiel
entlang der Linie II-II in 1,
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3 einen 1 entsprechenden
Schnitt durch eine erste Anwendung des Ausführungsbeispiels, und
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4 einen 1 entsprechenden
Schnitt durch eine zweite Anwendung des Ausführungsbeispiels.
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Eine
Getriebstufe 1 weist ein nährungsweise zylindersymmetrisches
Gehäuse 3 mit
einer zentralen ersten Achse A auf. Konzentrisch zur ersten Achse
A ist am Gehäuse 3 radial
innen ein Gehäuse-Kragenzug 5 ausgebildet.
Radial außen
weist das Gehäuse 3 einen
Gehäuse-Deckel 7 auf,
welcher gegenüber
einem Gehäuse-Grundkörper 9 gesondert ausgebildet
ist und bei der Montage der Getriebestufe 1 mit dem Gehäuse-Grundkörper 9 fest
verbunden wird. Ebenfalls konzentrisch zur ersten Achse A ist am
Gehäuse 3 ein
Antrieb 11 gelagert. Der Antrieb 11 weist ein
hohlzylindrisches, zur ersten Achse A konzentrisches, durch den
Gehäuse-Kragenzug 5 gestecktes
Antriebs-Rohr 13 mit stirnseitig einem radial nach außen abstehenden
Antriebs-Flansch 15 und einem daran angeformten, zur ersten
Achse A konzentrischen, den Gehäuse-Kragenzug 5 übergreifenden
Antriebs-Lagerring 17 auf. Zwischen der Innenseite des
Antriebs-Lagerrings 17 und der Außenseite des Getriebe-Kragenzugs 3a ist
ein Wälzlager 19 angeordnet,
beispielsweise ein Kugellager oder bevorzugt ein Nadellager, welches
den Antrieb 11 in radialer Richtung (bezüglich der
ersten Achse A) eindeutig und reibungsarm lagert.
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Ein
Abtrieb 21 ist zylindersymmetrisch zu einer zweiten Achse
B ausgebildet, welche parallel zur ersten Achse A um eine Exzentrizität E von
vorzugsweise weniger als 0,5 mm, beispielsweise 0,2 mm, versetzt
angeordnet ist. Der Abtrieb 21 weist ein hohlzylindrisches,
zur zweiten Achse B konzentrisches, in das Antriebs-Rohr 13 gestecktes
Abtriebs-Rohr 23, eine stirnseitig radial abstehende Abtriebs-Scheibe 25 und
einen daran angeformten, zur zweiten Achse B konzentrischen, den
Antriebs-Lagerring 17 übergreifenden
Abtriebs-Lagerring 27 auf. Auf der dem Antriebs-Lagerring 17 zugewandten
Innenseite des Abtriebs-Lagerrings 27 weist der Abtrieb 21 eine
ringförmig
umlaufende V-Nut 29 auf, deren Seitenwände schräg, beispielsweise um 60°, zur zweiten
Achse B verlaufen. Eine einzelne Kugel 31 ist zwischen
der Außenseite
des Antriebs 11, d.h. der Außenseite des Antriebs-Lagerrings 17,
und der die Kugel 31 teilweise aufnehmenden V-Nut 29 an
einer Stelle des Umfangs angeordnet.
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Der
Abtrieb 21 weist auf seiner Außenseite, d.h. der Außenseite
des Abtriebs-Lagerrings 27, einen umlaufenden, radial abstehend
angeformten, konzentrisch zur zweiten Achse B ausgebildeten Reifen 33 auf,
welcher – in
der Art einer Nut-Feder-Verbindung – in eine umlaufende Führung 35 des
Gehäuses 3 greift.
Die rillenförmige,
als Ringnut konzentrisch zur ersten Achse A ausgebildete Führung 35 wird
teils durch den Gehäuse-Grundkörper 9 und
teils durch den Gehäuse-Deckel 7 auf
einer gemeinsamen, radial nach innen weisenden Fläche des
Gehäuses 3 gebildet.
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Die
Seitenwände
der Führung 35 verlaufen leicht
schräg
zur ersten Achse A, so dass der Reifen 33 nicht vollständig in
die Führung 35 bis
zu deren Grund eindringen kann, sondern maximal bis zu einem Wälzpunkt
W. Der Reifen 33, d.h. der Abtrieb 21, und die
Führung 35,
d.h. das Gehäuse 3,
bilden ein Reibradgetriebe, nachfolgend als Reibradtaumelgetriebe
bezeichnet. Auf der dem Wälzpunkt
W radial gegenüberliegenden
Seite ist der Abstand zwischen dem Reifen 33 und der Führung 35 bzw.
dem Abtrieb 21 und dem Gehäuse 3 um 2 × E größer als
am Wälzpunkt
W.
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Ebenso
ist der Abstand zwischen dem Antrieb 11 und dem Abtrieb 21 an
der zum Wälzpunkt
W nächstgelegenen
Stelle um 2 × E
größer als
der entsprechende Abstand auf der radial gegenüber liegenden Seite. Es besteht
somit eine quasi umlaufend gebogene Keilfläche sowohl zwischen dem Abtrieb 21 und
dem Gehäuse 3 als
auch zwischen dem Abtrieb 21 und dem Antrieb 11.
Die Kontaktpunkte zwischen Gehäuse 3,
Antrieb 11 und Abtrieb 21 liegen im wesentlichen
in der gleichen Ebene, welche senkrecht zu den Achsen A und B verläuft.
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Die
Außenseite
des Antriebs 11, die Kugel 31 und die V-Nut 29 bilden
gemeinsam eine Geometrie, in der sich die Kugel 31 zwischen
Antrieb 11 und Abtrieb 21 verkeilt, da der Kontaktwinkel
kleiner als der Selbsthemmungswinkel ist und somit keine Gleitreibung
an den Kontaktstellen der Kugel 31 auftritt, wie es beispielsweise
auch bei Klemmrollen-Freiläufen bekannt
ist. Bei stillstehendem Antrieb 11 liegt die Kugel 31 zunächst – in Umfangsrichtung
der ersten Achse A betrachtet – beim
gleichen Winkel wie der Wälzpunkt
W und damit ohne radiale Vorspannung zwischen dem Antrieb 11 und
der V-Nut 29. Wird hingegen der Antrieb 11 angetrieben,
so bewegt sich die Kugel 31 mit, bis das vorgenannte Verkeilen
eintritt. Die Kugel 31 eilt dem Wälzpunkt W voraus, bei den vorliegenden
Geometrien und Materialien um etwa 45° (Voreilwinkel).
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In 2 wird
der Antrieb 11 gegen den Uhrzeigersinn angetrieben, so
dass die Kugel 31 an der Außenseite des Abtriebs 11 abrollt,
d.h. sie dreht sich in 2 im Uhrzeigersinn. Dies führt zu einer
relativen Abwälzbewegung
der Kugel 31 in der V-Nut 29 und wegen des Verkeilens
zu einer erhebliche Kraft F im Kontaktpunkt zwischen Kugel 31 und
Abtrieb 21. Da der Abtrieb 21 am Wälzpunkt
W am Gehäuse 3 anliegt,
d.h. der Wälzpunkt
W ein Momentanpol bildet, bewirkt die Kraft F ein Drehmoment auf
den Abtrieb 21 um den Wälzpunkt
W. Dies führt
zu einer taumelnden Abwälzbewegung
des Abtriebs 21 am Gehäuse 3,
in 2 im Uhrzeigersinn. Wird die Drehrichtung des
Antriebs 11 umgedreht, so dreht sich nach einem Leerweg
von zweimal dem Voreilwinkel der Kugel 31 die Drehrichtung
des Abtriebs 21 ebenfalls um. Um die momentanen Reibwerte
an den Stellen mit hoher Flächenpressung
bei geringerem Verschleiß zu
erhöhen,
beispielsweise an der Kugel 31 oder dem Wälzpunkt
W, kann ein geeigneter Schmierstoff vorgesehen werden.
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Die
Getriebestufe 1 ist als Reibradtaumelgetriebe mit Wälzexzenter
zweistufig ausgebildet. Der Wälzexzenter
mit der Kugel 31 hat durch die Wälzbewegung der Kugel 31 zwischen
Antrieb 11 und Abtrieb 21 zunächst ein theoretisches Übersetzungsverhältnis von
ungefähr
2:1. Durch die V-Nut 29, welche für einen gegenüber dem
Radius der Kugel 31 kleineren Abwälzradius zum Abtrieb 21 hin
sorgt, ergibt sich ein Übersetzungsanteil
von vorliegend zusätzlich
4:1. Die Stufe des Reibradtaumelgetriebes ergibt einen Anteil am Übersetzungsverhältnis von etwa
dem Außendurchmesser
des Abtriebs 21 (Durchmesser des Gehäuses 3 am Wälzpunkt
W) zu 2 × E,
vorliegend etwa 125:1. Insgesamt kann also die Drehung des Antriebs 11 um
mehre Größenordnungen
untersetzt werden. Mit kleiner werdender Exzentrizität E werden
die störenden
Effekte geringer und das Übersetzungsverhältnis (bzw.
Untersetzungsverhältnis)
steigt. Damit die Getriebeelemente die aus den Antriebsmomenten
resultierenden Kontaktkräfte
und Belastungen zerstörungsfrei
ertragen, werden hierfür
bevorzugt hochfeste metallische Materialien verwendet. Es ist aber
auch denkbar, durch Verwendung von hochfestem Kunststoff, beispielsweise
für den
Abtrieb 21, eine elastische Oberfläche zur Schwingungsdämpfung und
für deutlich
größere Kontaktflächen zu
erhalten.
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Um
die Ausbildung von unrunden Oberflächen bei einem Stillstand zu
vermeiden, ist am Ende des Einsatzes vorzugsweise vorgesehen, den
Antrieb 11 um einen Freidrehwinkel (fest vorgegeben, z.B.
90°, oder
elektronisch ermittelt) zurückzudrehen, damit
die Kugel 31 um ihren Voreilwinkel zurückrollen kann und in der geringstmöglichen
Nachbarschaft des Wälzpunktes
W zu liegen kommt, wo sie keine Kraft F mehr aufbaut.
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Um
beim Betrieb den Kontakt der Kugel 31 am Antrieb 11 und
damit das oben genannte Verkeilen zu verbessern, d.h. um ein "Durchrutschen" an dieser Stelle
möglichst
zu vermeiden, besteht in abgewandelter Ausführung vorzugsweise immer eine geringe
Reibung zwischen Antrieb 11 und Kugel 31, ohne
dass die Rotation be hindert wird. Diese geringe Reibung kann beispielsweise
mittels der Normalkraft einer Feder zwischen Antrieb 11 und
Kugel 31 oder durch eine Magnetisierung eines der Bauteile
aufgebracht werden. Um den Leerweg der Kugel 31 bei der Richtungsumkehr
zu verringern, können
in abgewandelter Ausführung
zwei Kugeln 31 vorgesehen sein, die durch Federn zusammen
oder auf Abstand gehalten werden. Die Getriebestufe 1 wird
dadurch auch selbsthemmend.
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Die
erfindungsgemäße Getriebestufe 1 wird in
einem ersten Anwendungsbeispiel mit einem Motor 41 zu einer
Antriebseinheit 43 kombiniert. Vorliegend sind Getriebestufe 1 und
Motor 41 ineinander integriert, indem am Antrieb 11,
vorzugsweise am Antriebs-Rohr 13, mehrere Permanentmagnete
als Rotormagnete 45 angebracht sind, womit der Antrieb 11 zum
Rotor wird, und indem im Gehäuse 3 mehrere Statorpakete 47 angeordnet
sind, die mit den Rotormagneten 45 berührungslos zusammenwirken. Eine Steuerung 49 sorgt
für eine
elektronische Kommutierung der Statorpakete 47 und damit
des Motors 41. Zur Rückkopplung
für eine
Drehzahlregelung ist am Abtrieb 21, vorzugsweise am Abtriebs-Rohr 23,
ein Magnetring 51 angebracht, welcher mit einem an die Steuerung 49 angeschlossenen
Hall-Sensor 53 im Gehäuse 3 zusammenwirkt,
um die Winkellage des Abtriebs 21 zu erfassen. Bis auf
die elektronischen Bauteile des Motors 41 bildet die Getriebestufe 1 eine lackierfähige Einheit.
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Die
erfindungsgemäße Getriebestufe
1 wird in
einem zweiten Anwendungsbeispiel mit einem Getriebebeschlag
61 zu
einem Stellantrieb
63 in einem Fahrzeug, insbesondere für einen
Fahrzeugsitz, kombiniert. Ein solcher Getriebebeschlag
61 ist
als Lehnenneigungseinsteller für
einen Fahrzeugsitz in der
DE
101 44 840 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt ausdrücklich einbezogen
wird. Der als selbsthemmendes Exzenterumlaufgetriebe ausgebildete
Getriebebeschlag
61 weist ein erstes Beschlagteil
65,
welches als Hohlrad ausgebildet ist, und ein zweites Beschlagteil
67 auf,
welches ein mit dem Hohlrad kämmendes,
angeformtes Zahnrad aufweist. Das erste Beschlagteil
65 ist
beispielsweise fest mit der Lehne des Fahrzeugsitzes verbunden, während das
zweite Beschlagteil
67 mit dem Sitzteil des Fahrzeugsitzes
verbunden ist. Ein zweiteiliger (oder wahlweise einteiliger) Mit nehmer
69 definiert zusammen
mit zwei gegeneinander verspannten Keilsegmenten
71 einen
Exzenter, der zwischen erstem Beschlagteil
65 und zweitem
Beschlagteil
67 gelagert ist und bei einer Drehung eine
taumelnde Abwälzbewegung
des ersten Beschlagteils
65 am zweiten Beschlagteil
67 bewirkt.
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Zur
Kombination der Getriebestufe 1 mit dem Getriebebeschlag 61 ist
das Gehäuse 3 mittels
seines Gehäuse-Deckels 7 am
ersten Beschlagteil 65 angebracht, während eine außenprofilierte
Welle 73 an einem Ende in ein Innenprofil des Abtriebs-Rohres 23 und
am anderen Ende in ein Innenprofil des Mitnehmers 69 greift.
Dabei ist zwischen den Profilen jeweils etwas Spiel vorgesehen,
um die taumelnde Bewegung des Abtriebs 21 auszugleichen.
Die taumelnde Bewegung könnte
auch durch andere Mittel, insbesondere elastische Mittel, ausgeglichen
werden.
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Der
Stellantrieb 63 könnte
auch die Höhe und/oder
die Neigung der Sitzfläche
des Fahrzeugsitzes einstellen.
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Durch
Kombination des ersten und zweiten Anwendungsbeispiels wird der
Stellantrieb 63 durch einen Motor 41 vervollständigt.
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- 1
- Getriebestufe
- 3
- Gehäuse
- 5
- Gehäuse-Kragenzug
- 7
- Gehäuse-Deckel
- 9
- Gehäuse-Grundkörper
- 11
- Antrieb
- 13
- Antriebs-Rohr
- 15
- Antriebs-Flansch
- 17
- Antriebs-Lagerring
- 19
- Wälzlager
- 21
- Abtrieb
- 23
- Abtriebs-Rohr
- 25
- Abtriebs-Scheibe
- 27
- Abtriebs-Lagerring
- 29
- V-Nut
- 31
- Kugel,
Wälzkörper
- 33
- Reifen
- 35
- Führung
- 41
- Motor
- 43
- Antriebseinheit
- 45
- Rotormagnet
- 47
- Statorpaket
- 49
- Steuerung
- 51
- Magnetring
- 53
- Hall-Sensor
- 61
- Getriebebeschlag
- 63
- Stellantrieb
- 65
- erstes
Beschlagteil
- 67
- zweites
Beschlagteil
- 69
- Mitnehmer
- 71
- Keilsegmente
- 73
- Welle
- A
- erste
Achse
- B
- zweite
Achse
- E
- Exzentrizität
- F
- Kraft
- W
- Wälzpunkt