DE102005058661B4

DE102005058661B4 - Kupplung zum Ausgleichen eines Achsversatzes

Info

Publication number: DE102005058661B4
Application number: DE102005058661.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Grebenstein
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2025-12-08
Also published as: US20070129153A1; DE102005058661A1

Abstract

Kupplung für ein Harmonic-Drive-Getriebe zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen einem Antrieb und einem Getriebe, wobei die Kupplung einen Außenring (1), einen Innenring (2) und Verbindungselemente zwischen Außenring (1) und Innenring (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungselemente zwischen Außenring (1) und Innenring (2) bogenförmig verlaufende Verbindungsstege (3a bis 3d) so ausgelegt sind, dass die Kupplung eine isotrope und damit von Drehrichtung und Winkelstellung unabhängige Steifigkeit aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zum Ausgleichen eines Achsversatzes zwischen Antriebswelle und Getriebe oder Abtriebswelle, wobei die Kupplung einen Außenring, einen Innenring und Verbindungselemente zwischen Außenring und Innenring aufweist.
Aus DE 203 06 231 U1 ist eine Membrankupplung zur gelenkartigen Verbindung von Drehmomente übertragenden Maschinenteilen bekannt, die eine Membran aufweist, deren Innenbereich mit dem einen Maschinenelement und deren Außenbereich mit dem anderen Maschinenelement verbindbar ist. Am Außenbereich sind in zwei oder mehr Abschnitten Stege zur Verbindung des Außenbereichs mit dem Innenbereich angesetzt. Der Innenbereich ist auf einem Tragsteg angeordnet, wobei die Länge des Tragstegs kleiner ist als der Durchmesser der Membran. Die am Außenring ansetzenden Stege sind sekantiell mit dem Tragsteg verbunden.
Herkömmliche, käufliche Harmonicdrive-Getriebe sind serienmäßig mit einer Oldham-Kupplung versehen, um den Achsversatz zwischen Antriebswelle und Getriebe auszugleichen. Nachteilig bei einer Einheit aus Harmonicdrive-Getriebe und Oldham-Kupplung sind die großen Abmessungen sowie eine hohe Masse; obendrein hat die Einheit Harmonicdrive-Getriebe plus Oldham-Kupplung eine große Massenträgheit.
Um das serienmäßig mit einer Oldham-Kupplung versehene Harmonicdrive-Getriebe auch bei von der Anmelderin entwickelten, beispielsweise in der minimalinvasiven Chirurgie (MIC) einsetzbaren Robotern sowie Leichtrobotern einsetzen zu können, wurden die Harmonicdrive-Getriebe bei dieser Art Roboter ohne Oldham-Kupplung eingebaut. Aufgrund der fehlenden Kompensation des Achsversatzes zwischen Antriebswelle und Getriebe führt eine derartige Art der Anbindung jedoch zu erheblichen Zwangskräften, welche die Regelgüte und das Übertragungsverhalten eines Robotergelenks stark beeinträchtigen, indem u.a. ein starker zusätzlicher „Rippel“ auftritt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, zum Ausgleich eines Achsversatzes eine Kupplung zu entwickeln, die einen möglichst kleinen Bauraum benötigt und zusätzlich eine möglichst geringe Masse aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zwischen dem Außenring und dem Innenring bogenförmig verlaufende Verbindungsstege so ausgelegt sind, dass die Kupplung eine isotrope und damit von Drehrichtung und Winkelstellung unabhängige Steifigkeit aufweist. Durch die bogenförmig bzw. gekrümmt zwischen Außen- und Innenring verlaufenden, als Übertragungsstreben dienenden Verbindungsstege und deren Auslegung ist gemäß der Erfindung eine elastische Ausgleichskupplung geschaffen, mit welcher ein Achsversatz auf kleinstem Raum ausgeglichen werden kann.
Vorzugsweise kann die Kupplung als ein monolithisches Teil ausgeführt sein. In Abhängigkeit von der jeweiligen Ausführungsform eines Antriebs und/oder eines diesem zugeordneten Getriebe kann die erfindungsgemäße Kupplung dahingehend modifiziert werden, dass Außenring und/oder Innenring Krafteinleitungsstellen aufweisen.
Wenn beispielsweise bei Leichtrobotern ein Harmonicdrive-Getriebe eingesetzt wird, ist die erfindungsgemäße Kupplung dahingehend modifiziert, dass am Innenring Krafteinleitungsstellen vorgesehen sind. Durch die Erfindung ist eine elastische Wellen-Ausgleichskupplung geschaffen, die keinen zusätzlichen Bauraum benötigt. Ferner treten nur geringe Radialkräfte bei gleichzeitig hoher Verdrehsteifigkeit auf. Darüber hinaus hat die elastische Ausgleichskupplung gemäß der Erfindung nur eine geringe axiale Ausdehnung und weist neben einer geringen Masse auch ein geringes Trägheitsmoment auf.
Die erfindungsgemäße Ausgleichskupplung sowie deren Modifizierungen können in der Antriebstechnik, der Robotik, beispielsweise bei Leichtbau-Robotern, Werkzeugmaschinen und in der Automobiltechnik eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 eine Draufsicht einer Grundausführungsform einer Ausgleichskupplung;
2 eine Draufsicht einer modifizierten Ausführungsform einer Ausgleichskupplung, und
3 die modifizierte Ausführungsform gemäß 2 in Verbindung mit einem Harmonicdrive-Getriebe.

Bei der in 1 wiedergegebenen Grundausführung einer Ausgleichskupplung weist ein vorzugsweise ein monolithisches Aufnahmeteil einen Außenring 1 und einen Innenring 2 auf, die miteinander durch bogenförmig bzw. gekrümmt verlaufende Stege 3a bis 3d verbunden sind.
In 2 ist eine modifizierte Ausführungsform einer Ausgleichskupplung wiedergegeben, welche sich von der Grundausführungsform dadurch unterscheidet, dass am Innenring 2 Krafteinleitungsstellen 2' ausgebildet sind.
In 3 ist der Außenring 1 der Ausgleichskupplung mit einer Riemenscheibe 4 eines Antriebs verbunden, von welchem in 3 nur ein Teil eines Übertragungszahnriemens 5 angedeutet ist. In 3 ist der Innenring 2 beispielsweise mit dem Wavegenerator 6 eines Harmonicdrive-Getriebes verbunden.
Durch die bogenförmig geschwungene Form der Verbindungsstege 3a bis 3d werden diese bei Einleiten eines Drehmoments gestaucht oder in die Länge gezogen, ohne dabei gestreckt zu werden. Die Belastung der Verbindungsstege 3a bis 3d ist aufgrund der Bogenform somit im wesentlichen eine Biegebelastung und keine Zug- oder Druckbelastung. Dies wiederum führt dazu, dass die Steifigkeit der Kupplung in beiden Richtungen annähernd gleich groß ist. Letzteres ist wiederum für die Regelung eines Antriebsstranges von essentieller Bedeutung.
Ferner kann in Verbindung mit einer entsprechenden Auslegung der Bogenradien der Stege, welche auch in anderen gekrümmten Ausführungen ausgebildet sein können, und der Stegbreite erreicht werden, dass die aus dem radialen Versatz des Außenrings 1 zum Innenring 2 und der Verformungen der in der Ausführungsform in 3 vier Stege 3a bis 3d resultierenden Radialkräfte und somit auch das daraus resultierende Störmoment des Getriebes weitestgehend von der Winkelstellung der Kopplung unabhängig sind, da in keiner Stellung Zug- oder Druckbelastungen in den Stegen auftreten, wie dies beispielsweise bei geraden Stegen der Fall wäre.
Aufgrund der verhältnismäßig großen Länge der bogenförmigen Stege 3a bis 3d sind die aus dem Achsversatz resultierenden Radialkräfte sehr klein. Die elastische Wellenkupplung gemäß der Erfindung besitzt demzufolge eine geringe Steifigkeit gegenüber Radialkräften (Zwangskraft-Minimierung) bei gleichzeitig hoher Verdrehsteifigkeit. Hierdurch ist eine beachtliche Verbesserung des Regelungs- und Schwingungsverhaltens erreicht ist.
Die Auslegung der Steifigkeit der elastischen Wellenkupplung kann durch entsprechende Dimensionierung der Stegbreiten, Steghöhen sowie der Radien bzw. Krümmungen der entsprechend ausgeführten Stege sowie durch eine entsprechende Materialauswahl erfolgen; so kann beispielsweise Aluminium durch Kunststoff ersetzt werden.
Die kompakt ausgeführte elastische Wellen-Ausgleichskupplung gemäß der Erfindung kann beispielsweise in der Antriebstechnik, Robotik, im Werkzeugmaschinen- und Anlagenbau sowie auch in der Automobiltechnik eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Innenring
2: Außenring
2': Krafteinleitungsstelle
3a bis 3d: Verbindungsstege
4: Riemenscheibe
5: Zahnriemen
6: Wavegenerator

Claims

Kupplung für ein Harmonic-Drive-Getriebe zum Ausgleich eines Achsversatzes zwischen einem Antrieb und einem Getriebe, wobei die Kupplung einen Außenring (1), einen Innenring (2) und Verbindungselemente zwischen Außenring (1) und Innenring (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungselemente zwischen Außenring (1) und Innenring (2) bogenförmig verlaufende Verbindungsstege (3a bis 3d) so ausgelegt sind, dass die Kupplung eine isotrope und damit von Drehrichtung und Winkelstellung unabhängige Steifigkeit aufweist.
Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie als monolithisches Teil ausgeführt ist.
Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Innenring (2) und/oder am Außenring (1) Krafteinleitungsstellen (2') ausgebildet sind.
Verwendung der Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei Robotern, insbesondere bei Leichtbau-Robotern.
Verwendung der Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei Werkzeugmaschinen.
Verwendung der Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in der Automobiltechnik.