-
Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Käfige von Wälzlagern, insbesondere von
Wälzlagern
für Harmonic
Drives auch als Wellengetreibe bezeichnet.
-
Harmonic
Drives sind an sich insbesondere aus der
US 4 715 247 , der
US 4 840 090 oder auch der US 2002/017
88 61 bekannt. Ein Harmonic Drive enthält im Allgemeinen einen mit
einem elliptisch gestalteten zentralen Kern ausgestatteten Wellengenerator,
ein mit einer äußeren Verzahnung
versehenes nachgiebiges Zahnrad, das mit dem Wellengenerator über ein
Wälzlager
verbunden ist, und ein starre kreisrundes Hohlrad mit einer nach
innen gerichteten Verzahnung. Der ursprüngliche Durchmesser des elastisch
verformabaren Zahnrads ist geringfügig kleiner ist als jener des
Hohlrads, und das Innenzahnrad weist im Allgemeinen zwei Zähne weniger auf
als das Hohlrad. Das nachgiebige Innenzahnrad wird durch den elliptischen
Wellengenerator verformt und steht mit der Verzahnung des Hohlrads über die große Ellipsenachse
in Eingriff. Wenn der Wellengenerator in Umdrehung versetzt wird,
wandert der in Eingriff befindliche Bereich der Verzahnung gemeinsam
mit der großen
Ellipsenachse. Mit jeder vollständigen
Umdrehung des Wellengenerators wird das nachgiebige Innenzahnrad
gegenüber
dem Hohlrad um einen Winkel verdreht, der zwei Zähnen entspricht. Die Vorteile
von Harmonic Drives sind beispielsweise eine präzise Positionierung, ein relativ hohes
Drehmoment, ein geringes Spiel in Umfangsrichtung, ein erhebliches
Untersetzungsverhältnis und
eine gute Torsionssteifigkeit.
-
Die
in Harmonic-Drives verwendeten Wälzlager
enthalten einen Außenring,
einen Innenring und zwischen den Ringen untergebrachte Wälzkörper. Der
axiale Querschnitt wenigstens eines der Ringe ist sehr dünn bemessen,
um in radialer Richtung elastisch nachzugeben und das elliptische
Profil des Wellengenerators anzunehmen, auf dem er sitzt. Aufgrund
der Tatsache, dass die durch die Wälzkörper verfolgten Bahnen nicht
wie im Falle eines herkömmlichen
Wälzlagers
kreisförmig
sondern elliptisch sind, werden die Wälzkörper entsprechend ihrer Winkelstellung
nicht genau mit derselben Geschwindigkeit in Umfangsrichtung verschoben.
Darüber
hinaus erfahren die Wälzkörper eine
gewisse relative Verschiebung in radialer Richtung gegenüber dem
Käfig, der
eine im Wesentlichen kreisrunde Gestalt aufweist. Es ist daher erforderlich,
den Kugeln ein verhältnismäßig großes Spiel
in Umfangs- und Radialrichtung gegenüber den Zellen des Käfigs zu
erlauben. Die
US 3 285 099 beschreibt
einen für
Wälzlager
von Harmonic-Drives geeigneten, aus Kunststoff gefertigten Käfig, der
für die
Trennung der Kugeln in Umfangsrichtung sorgende Zellen ein erhebliches Spiel
in Umfangsrichtung zwischen Zelle und Kugel aufweist, wobei der
Käfig bezüglich der
Kugeln mittels eines äußeren Flansches
in axialer Richtung gesichert ist.
-
Die
US 4 451 098 beschreibt
einen für
Harmonic Drives geeigneten Wälzlagerkäfig, der
den Kugeln ein großes
Maß an
Verschiebbarkeit in den Zellen erlaubt. Der Käfig ist in axialer Richtung
an der Reihe von Kugeln durch einen an dem Käfig befestigten zusätzlichen
Sicherungsring gesichert. Diese Anordnung ist verhältnismäßig komplex
und sperrig, da sie die Befestigung des zusätzlichen Rings an dem Käfig erfordert
und zu beiden Seiten der Kugeln ausreichend axialen Raum voraussetzt,
um dort auf der einen Seite die ringförmigen Abschnitte des Käfigs und
auf der gegenüberliegenden
Seite den zusätzlichen
Sicherungsring unterzubringen. Die Herstellung und Montage dieser
Einrichtung ist dementsprechend kostspielig.
-
Die
US 4 715 247 erläutert einen
wie in
6 und
7 dargestellten
einstückig
ausgebildeten Käfig
für Wälzlager
von Wellengetrieben, der mit Zellen ausgebildet ist, die sphärische Flächen aufweisen,
die durch verhältnismäßig dicke
Wände getrennt sind.
Das Ergebnis ist ein Käfig,
dessen Verbringung mit den Wälzkörpern kompliziert
ist, und bei dem sich das Spiel der Kugeln in den Zellen in Umfangsrichtung
als zu gering erweist, um einen zufriedenstellenden Betrieb des
Harmonic Drives zu gewährleisten.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen
Nachteile zu beseitigen.
-
Die
vorliegende Erfindung beschreibt einen einfachen und kostengünstigen
Käfig,
der ein erhebliches Spiel der Wälzkörper in
den Zellen des Käfigs zulässt, während die
Reibung zwischen dem Käfig und
den Wälzkörpern gering
ist.
-
Die
Käfiganordnung
für Wälzlager
von Harmonic Drives ist dazu bestimmt, in einem Wälzlager angeordnet
zu werden, um den Abstand von Wälzkörpern in
Umfangsrichtung zu sichern, und enthält mehrere erste Zellen, die
mit axialen Haltemitteln des Käfigs
an einem Wälzkörperelement
versehen sind, und mehrere zweite Zellen, die nicht mit axialen
Haltemitteln des Käfigs
an einem Wälzkörperelement versehen
sind. Die Käfiganordnung
ist einstückig hergestellt.
Der Zusammenbau ist auf diese Weise insbesondere insofern erleichtert,
als lediglich ein Teil der Zellen mit axialen Haltemitteln versehen
ist. Darüber
hinaus ist die Gestalt des Käfigs
besonders einfach, da sich der Käfig
als einstückiges
Element, beispielsweise durch Spritzen herstellen lässt. Das
Ergebnis ist ein besonders robuster Käfig.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
umfassen die axialen Haltemittel wenigstens eine elastische Zunge.
Die elastische Zunge kann mit dem Käfig einstückig ausgebildet sein.
-
Vorteilhafterweise
beinhalten die axialen Haltemittel zwei elastische Zungen pro erste
Zelle. Die beiden elastischen Zungen können auf jeweils einer Seite
der ersten Zelle in Umfangsrichtung befestigt sein und jeweils durch
eine Wand getragen werden, die die erste Zelle von einer benachbarten
Zelle trennt.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
sind die ersten Zellen und die zweiten Zellen gleichmäßig entlang dem
Umfang verteilt. Dies ermöglicht
einen erleichterten Zusammenbau des Käfigs mittels einer axialen Bewegung
und gewährleistet
einen zufriedenstellenden axialen Halt des Käfigs an den Wälzkörpern nach der
Montage.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
weisen die zweiten Zellen eine axiale Öffnung auf, die mit zylindrischen
Rändern
ausgebildet ist. Die zweiten Zellen weisen daher eine erheblich
reduzierte Reibung der Wälzkörper gegenüber dem
Käfig auf
und erlauben ein größeres Spiel
in radialer Richtung und in Umfangsrichtung.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
sind die ersten Zellen mit im Wesentlichen sphärischen Wänden ausgebildet.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
sind die zweiten Zellen mit im Wesentlichen zylindrischen Wände ausgebildet.
-
Die
Erfindung betrifft ferner ein für
Harmonic Drives geeignetes Wälzlager
mit zwei Ringen, einer Reihe von zwischen den Ringen angeordneten
Wälzkörpern und
einem einstückig
hergestellten Käfig,
der die Beabstandung zwischen den Wälzkörpern in Umfangsrichtung aufrecht
erhält,
wobei der Käfig
mit mehreren Zellen ausgebildet ist, die mit axialen Haltemitteln
des Käfigs
an einem Wälzkörper versehen sind,
und mit mehrere Zellen ausgebildet ist, die nicht mit axialen Haltemitteln
des Käfigs
an einem Wälzkörper versehen
sind.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
ist wenigstens ein Ring in radialer Richtung verformbar. Es können zwei
Ringe in radialer Richtung verformbar sein. Der besagte Ring kann
eine relativ geringe radiale Wandstärke aufweisen, während er
aus einem zähen
Material beispielsweise Stahl hergestellt ist. Das Maß der Ovalisierung
der Ringe (große
Ellipsenachse – kleiner
Ellipsenachse/Durchmesser·100)
kann in der Größenordnung
von 2 bis 5 % des Durchmessers im nicht montierten Zustand sein.
Die radiale Wandstärke
des Rings kann in der Größenordnung
von 1 bis 5 % des Durchmessers im nicht befestigten Zustand sein.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Harmonic Drive mit einem
Wellengenerator, einem Hohlrad, einem mit dem Hohlrad in Eingriff
befindlichen nachgiebigen Innenzahnrad und einem zwischen dem nachgiebigen
Innenzahnrad und dem Wellengenerator angeordneten Wälzlager.
Das Wälzlager
enthält
einen Innenring, einen Außenring, eine
Reihe von zwischen den Ringen angeordneten Wälzkörpern und einen Käfig zum
Halten der Wälzkörper, wobei
der Außenring
an dem nachgiebigen Innenzahnrad befestigt ist, und der Innenring
an dem Wellengenerator angebracht ist. Der einstückig hergestellte Käfig weist
erste Zellen, die mit axialen Haltemitteln des Käfigs an einem Wälzkörperelement versehen
sind, und zweite Zellen auf, die nicht mit axialen Haltemitteln
des Käfigs
an einem Wälzkörperelement
versehen sind. Jede der ersten Zellen kann von der folgenden durch
mehrere zweite Zellen getrennt sein.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nach dem Lesen der detaillierten Beschreibung
einiger Ausführungsbeispiele
verständlicher,
die in keiner Weise als beschränkend
zu bewerten sind und anhand der nachstehenden Zeichnungen veranschaulicht
werden:
-
1 zeigt
in perspektivischer Ansicht ein nachgiebiges Wälzlager, im Schnitt;
-
2 veranschaulicht
das Wälzlagers
nach 1 von der gegenüberliegenden Seite her, in
perspektivischer Ansicht;
-
3 stellt
den Käfig
des Wälzlagers
nach 1 und 2 in perspektivischer Ansicht
dar; und
-
4 zeigt
eine detaillierte Ansicht gemäß 3.
-
Wie
am besten in den 1 und 2 zu sehen,
enthält
das Wälzlager 1 für Harmonic
Drives einen Innenring 2, einen Außenring 3, einen Kranz von
Wälzkörpern 4,
in diesem Fall Kugeln, und einen Käfig 5, der für den Abstand
der Wälzkörper 4 in
Umfangsrichtung sorgt. Der Innenring 2 hat die Gestalt eines
Rings mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt geringer
radialer Wandstärke
und ist auf seiner Außenfläche mit
einer torusförmigen
Lagerlauf fläche 6 versehen.
Der Außenring 3 weist, ähnlich wie
der Innenring 2, eine torusförmige Lagerlauffläche 7 an
seinem Innenumfang auf. Die radialen Stirnflächen des Innenrings 2 und
des Außenrings 3 sind im
Wesentlichen fluchtend angeordnet. Die Ringe 2 und 3 können beide
einstückig
durch maschinelle Bearbeitung eines Stahlrohlings hergestellt werden.
-
Der
einstückig
hergestellte und in Umfangsrichtung nicht unterbrochene Käfig 5 ist
in radialer Richtung zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 angeordnet.
Zu dem Käfig 5 gehören ein
kreisrunder ringförmiger
Abschnitt 8, der, wie in 1 zu sehen,
in axialer Richtung neben einer Seite der Wälzkörper 4 angeordnet
ist, und Trennfinger 9, die, wie in 2 zu sehen,
zwischen den Wälzkörpern 4 stecken.
Die Trennfinger 9 sind mit dem kreisrunden Abschnitt 8 einstückig hergestellt
und begrenzen zwischen sich Zellen 10, in denen Wälzkörper 4 angeordnet
sind.
-
Wie
insbesondere in den 3 und 4 gezeigt
ist, weisen die Trennfinger 9 die Gestalt von Zapfen auf,
die gegenüber
dem ringförmigen
Abschnitt 8 axial vorstehen, wobei die Zapfen in radialer Richtung
durch eine zylindrischen Innenfläche
mit dem Innendurchmesser des ringförmigen Abschnitts 8 und
außen
durch eine Außenfläche mit
dem Außendurchmesser
des ringförmigen
Abschnitts begrenzt sind, und somit fluchtend in den ringförmigen Abschnitt 8 übergehen.
Die Trennfinger 9 weisen seitliche Flächen auf, die die Zellen 10 mit
im Wesentlichen zylindrischen Wänden
bilden, wobei der Durchmesser des die Wände der Zellen definierenden
Zylinders größer ist
als jener der Wälzkörper 4, so
dass den Wälzkörpern 4 ein
erhebliches Spiel ermöglicht
wird, um ihre Position gegenüber
den Zellen 10 in radialer und in Umfangsrichtung verändern zu können. Der
Boden der Zellen 10 wird durch den kreisrunden Abschnitt 8 gebildet
und ist im Wesentlichen radial.
-
Der
Käfig 5 enthält darüber hinaus
mehrere gemischte/zusammengesetzte Trennfinger 11, die Zellen 12 definieren,
die mit axialen Haltemitteln für Wälzkörper 4 versehen
sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
weist der Käfig
drei Zellen 12 und sechs gemischte Trennfinger 11 auf,
während die
Anzahl der Zellen 10 sechzehn beträgt. Die Zellen 12 weisen
eine im Allgemeinen im Wesentlichen sphärische Gestalt auf, die geeignet
ist, die Wälzkörper 4,
mit denen sie versehen sind, einzuhüllen. Die Zellen 12 sind
entlang dem Umfang im Wesentlichen gleichmäßig verteilt, um einen einwandfreien
axialen Halt des Käfigs 5 an
den Wälzkörpern 4 sicherzustellen.
Die gemischten Trennfinger 11 sind außerdem in radialer Richtung
durch den zylindrischen Innenraum und die Außenfläche des kreisrunden Abschnitts 8 begrenzt.
Ein gemischter Trennfinger 11 weist an der einen Seite
eine zylindrische Fläche 11a auf,
um zusammen mit einem benachbarten Trennfinger 9, die eine
der zu der Zelle 12 benachbarten Zellen 10 zu bilden,
und weist auf der anderen Seite eine sphärische Fläche auf, um mit dem anderen
benachbarten gemischten Trennfinger 11 die Zelle 12 selbst
zu bilden. Der komplexe Trennfinger 11 weist eine Klaue 13 auf,
die von dem ringförmigen
Abschnitt 8 axial wegsteht ist, und deren freies Ende sich
in Umfangsrichtung in Richtung auf die Klaue 13 zu erstreckt,
die auf der anderen Seite dieselbe Zelle 12 begrenzt und entgegengesetzt
zu dem benachbarten gemischten Trennfinger 11 angeordnet
ist.
-
Mit
anderen Worten, die beiden zu einer Zelle 12 gehörenden Klauen 13 wölben sich
einander entgegen, wobei ihre freien Enden in einem Abstand angeordnet
sind, der kleiner ist als der Durchmesser der Wälzkörper 4. Hierdurch
sind die Klauen 13 einer Zelle 12 in der Lage,
den axialen Halt des Käfigs 5 an dem
in der Zelle 12 angeordneten Wälzkörperelement 4 zu gewährleisten.
Die konkave Innenfläche der
Klaue 13 bildet einen Teil der sphärischen Fläche der Zelle 12.
Auf der entgegengesetzten Seite weist die Klaue 13 eine konvexe
Fläche
auf. Die Wand der Zelle 12 bildet eine einseitig offene
Kugelzone.
-
Auf
der Seite der zu der Klaue 13 entgegengesetzt angeordneten
zylindrischen Fläche 11a setzt sich
der geteilte Trennfinger 11 weiter in einen im Allgemeinen
axial gestalteten Vorsprung 14 fort, der nicht in der Lage
ist, einen axialen Halt bezüglich
eines Wälzkörperelements
zu sichern, der in der der Zelle 12 benachbarten Zelle 10 angeordnet
ist. Der Vorsprung 14, dessen axiale Länge wenigstens gleich derjenigen
der Klaue 13 ist, ermöglicht
es, die Klaue 13 während
der dem Zusammenbau des Wälzlagers 1 vorausgehenden
Handhabungen des Käfigs 5 zu
schützen.
Selbstverständlich
ist es möglich,
einen Käfig 5 vorzusehen,
der ohne einen axialen Vorsprung 14 ausgebildet ist. Der
axiale Vorsprung 14 und die Klaue 13 sind in einer
geeigneten Weise durch eine Einbuchtung 15 so getrennt,
dass die Klaue 13 in Umfangsrichtung eine verhältnismäßig geringe
anguläre
Dicke aufweist und daher über
eine gewisse Elastizität
verfügt,
die das Einrasten des Käfigs 5 auf
Wälzkörpern 4 erlaubt,
indem die Klauen 13 in Umfangsrichtung gespreizt werden,
während
eine axiale Druckkraft auf den kreisrunden Abschnitt 8 des Käfigs 5 in
Richtung der Wälzkörper 4 ausgeübt wird.
-
In
einem Ausführungsbeispiel ähneln die sphärisch gestalteten
Verankerungszellen jenen, die in den herkömmlichen starren Wälzlagerkäfigen mit einer
einfachen Reihe von Kugeln verwendet werden, weisen allerdings ein
wesentlich größeres Spiel zwischen
den Kugeln und den Zellen auf, um die radiale Ortsänderung
der Kugel in der Verankerungszelle zu ermöglichen. Die Verankerungszelle
ist auf ihrer Innenfläche
und auf ihrer Außenfläche offen
und ist außerdem
in axialer Richtung auf der dem kreisrunden Abschnitt 8 abgewandten
Seite offen, um das Einrasten des Käfigs zu ermöglichen. Die zylindrischen
Zellen mit ebenem Boden, die hin terschneidungsfrei sind und die
nicht mit axialen Haltemitteln für
den Käfig 5 an
den Wälzkörpern versehen
sind, können
zwischen dem radialen ebenen Boden und den zylindrischen Flächen mit
einer Verbindungsfläche
ausgebildet sein, wobei die Verbindungsfläche eine Krümmung aufweist, die größer ist
als diejenige der Wälzkörper 4.
Die zylindrischen Zellen sind ebenfalls an ihren Innen- und Außenflächen und
an einem gegenüber
dem kreisrunden Abschnitt 8 entgegengesetzten axialen Ende
offen. Der Durchmesser der zylindrischen Wände 11a ist größer als
jener der Wälzkörper 4.
-
Auf
diese Weise ist ein für
ein Wälzlager
eines Harmonic Drives geeigneter Käfig geschaffen, der sich ohne
Weiteres durch Einrasten an den Wälzkörpern befestigten lässt und
aufgrund seiner entsprechenden Mittel an Ort und Stelle auf den
Wälzkörpern bleibt,
wobei die Gefahr eines unbeabsichtigten Auseinanderfallens sehr
gering ist, während
eine erhebliche relative Verschiebung der Wälzkörper und des Käfigs in
Umfangsrichtung und in radialer Richtung während des Betriebs des Wälzlagers
in dem Harmonic Drive möglich
ist. Der Käfig
zeigt außerdem
eine geringe Reibung zwischen dem Käfig und den Wälzkörpern.
-
In
einem Harmonic Drive ist der Innenring
2 des Wälzlagers
1 an
einem Wellengenerator angebracht, der einen ovalen/elliptischen
Umriss aufweist. Der Ring
2 nimmt folglich nach dem Einstecken
eine ovale/elliptische Gestalt an und bewirkt ferner eine Ovalisierung
des Außenrings
3.
Der Innenring
2 und Außenring
3 können aus
einem Stahl hergestellt sein, der geeignet ist, ein derartige Verformung
zu tolerieren. Der Außenring
3 trägt ein in
radialer Richtung nachgiebiges Innenzahnrad, dessen zylindrischer
Innenraum auf der Außenfläche des
Außenrings
3 sitzt. Die
auf diese Weise gebildete Einheit ist in einem kreisrunden Hohlrad
angeordnet, das eine in radialer Richtung nach innen zei gende Verzahnung
enthält, die
im Allgemeinen an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen mit dem
nachgiebigen Innenzahnrad kämmt.
Es wird auf die
US 4 715 247 ,
die
US 4 840 090 oder
auch die US 2002/017 88 61 verwiesen, deren Inhalt durch Bezugnahme
hier aufgenommen ist. Zufolge der Erfindung kann der Käfig problemlos
in dem Wälzlager
eines Harmonic Drives angebracht werden und ermöglicht es den Wälzkörpern, in
dem Käfig
mit einem angemessenen Spiel in radialer Richtung und in Umfangsrichtung
und mit geringer Reibung zu laufen. Hieraus ergibt sich eine kostengünstige Montage,
ein zufriedenstellender Betrieb, ein reduzierter Verschleiß und ein
geringer Energieverbrauch.