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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Getriebe, insbesondere Koaxialgetriebe
oder Hohlwellengetriebe für die industrielle Antriebstechnik
mit hoher Leistungsdichte, mit einem Antriebselement, einem Element
und einem Abtriebselement, wobei eine Übersetzung sowie
eine Übertragung eines Antriebsmomentes zwischen Antriebselement
und Abtriebselement über eine Mehrzahl von radialen bewegbaren
Zahnsegmenten erfolgt.
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Herkömmliche
Getriebe sind in jeglicher Form und Ausführung auf dem
Markt bekannt und erhältlich.
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Im
wesentlichen werden drei unterschiedliche Technologien von Getrieben
im Markt verwendet. Zum Einen sind im Markt Planetengetriebe bekannt,
bei welchen bspw. innerhalb eines Hohlrades koaxial eine oder mehrere
Planetenräder mittels eines meist zentral angeordneten
Sonnenrades zur Übertragung eines Momentes auf einem Planetenradträger
bzw. Abtriebselement vorgesehen sind.
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Bei
derartigen Umlauf- oder Planetengetriebe können keine hohen Übertragungsgeschwindigkeiten gefahren
sowie keine hohen Momente bei generell nur sehr kleinen möglichen
Hohlwellendurchmessern übertragen werden. Zudem unterliegen
derartige Getriebe einer geringen Steifigkeit und geringen Robustheit,
wobei diese eine geringe Überlastfähigkeit besitzt.
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Ferner
ist nachteilig, dass insbesondere bei hohen antriebsseitigen Drehzahlen
eine Übersetzung bzw. ein Übersetzungsverhältnis
beschränkt ist.
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Ferner
sind Exzentergetriebe bekannt, bei welchen meist ein Planetenrad
innerhalb eines innen verzahnten Hohlrades zur Übertragung
der Drehmomenten wie zur Herstellung von Übersetzungen
vorgesehen ist.
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Bei
Exzentergetrieben ist von Nachteil, dass diese grosse Trennkräfte
erfordern, sehr grosse Lagerelemente, insbesondere bei Hohlwellenausführungen
erfordern und nur für Hohlwellenausführungen mit
kleineren Durchmessern geeignet sind. Auch hier weisen diese Exzentergetriebe
geringe Überlastfähigkeiten und geringe Robustheiten
auf.
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Zudem
sind die Übersetzungsbereiche beschränkt auf etwa
i = 30 bis i = 100 und dies nur bei geringen Antriebsdrehzahlen.
Bei höheren Antriebsdrehzahlen unterliegen derartige Exzentergetriebe
einem hohen Verschleiss und weisen daher eine geringe Standzeit
auf, was unerwünscht ist.
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Zudem
weisen derartige Exzentergetriebe hohe Reibungsverluste und daher
geringe Wirkungsgrade auf, da Kupplungen od. dgl. an Exzentergetriebe
anschliessen, um die exzentrische Abtriebsbewegung auf eine zentrische
Bewegung zu verlagern. Daher ist der Wirkungsgrad des Exzentergetriebes
sehr niedrig.
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Insbesondere
bei hohen Drehzahlen treten hohe Schwingungsproblematiken auf, die
ebenfalls unerwünscht sind.
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Ferner
sind Harmonic Drive Getriebe bekannt, die zwar auch als Hohlwellengetriebe
ausführbar sind, wobei zwischen einem meist oval ausgebildeten
Antriebselement und einem innen verzahnten Hohlrad ein sogenannter
Flexspline angeordnet ist, der weich und nachgiebig ausgebildet
ist und das entsprechende Moment zwischen Antrieb und Hohlrad überträgt
sowie eine Übersetzung zulässt.
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Der
sogenannte Flexspline unterliegt dauerhaften Belastungen und versagt
häufig bei hohen Momenten. Zudem ist der Flexspline nicht überlastfähig
und reisst häufig bei zu hohen Momenten schnell ab. Das
Harmonic Drive Getriebe hat ferner einen schlechten Wirkungsgrad
und eine geringe Verdrehsteifigkeit.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Koaxialgetriebe
der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die genannten Nachteile
der bis jetzt bekannten Koaxialgetriebe, Planetengetriebe, Exzentergetriebe
sowie Harmonic Drive Getriebe beseitigt, wobei eine Kraftübertragung
zwischen Antriebselement und Zahnsegment deutlich zum Übertragen
von sehr hohen Kräften verbessert werden soll.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einem Koaxialgetriebe
der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die genannten Nachteile
der bis jetzt bekannten Koaxialgetriebe, auch Planetengetriebe etc.
sowie Harmonic Drive Getriebe beseitigt, wobei eine Kraftübertragung
zwischen Antriebselement und Zahnsegment deutlich zum Übertragen
von sehr hohen Kräften, Momenten verbessert werden soll.
Ferner soll die Lebensdauer des Koaxialgetriebes bei optimierter
Belastbarkeit zur gleichzeitigen Anpassbarkeit auf entsprechende
Abtriebs- und/oder Antriebsmomente optimierbar sein.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe führt, dass in einer Axialrichtung
einzelne oder eine Mehrzahl von Zahnsegmenten nebeneinander angeordnet
und/oder in Radialrichtung einzelne Zahnsegmente axial zueinander versetzt
angeordnet sind.
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Bei
der vorliegenden Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen,
ein Koaxialgetriebe zu schaffen, bei welchem eine Mehrzahl von Zahnsegmenten
innerhalb eines Elementes linear, radial nach aussen hin und her
bewegbar geführt sind. Die einzelnen Zahnsegmente weisen
Zahnflanken auf, die in die entsprechende Verzahnung eines äusseren
Hohlrades eingreifen.
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Die
Zahnsegmente werden mittels eines Antriebselementes, welches eine äussere
Profilierung und eine äussere Kontur besitzt, zur Herstellung
einer rotativen Übersetzung und Bewegung durch eine entsprechende
rotative Antriebsbewegung in die Verzahnung des Hohlrades bewegt.
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Dabei
sind die Zahnsegmente in einem Element, insbesondere ausgebildet
als Abtriebselement, linear geführt.
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Die
Zahnsegmente können querschnittlich rund, mehreckig, rechteckartig
oder oval ausgebildet sein und werden innerhalb des Elementes linear
geführt und gehalten.
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Bei
der vorliegenden Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen,
das Element, insbesondere das Abtriebselement zu verstärken,
in dem nur jeder Zweite, jeder Dritte, jeder Vierte oder ein Vielfaches hiervon
von Zahnsegmenten im Element eingesetzt sind und mit der inneren
Verzahnung des Hohlrades in Eingriff gelangen.
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Zudem
kann ein Fussbereich des Zahnsegmentes verjüngt ausgebildet
sein, um das Element, insbesondere das Abtriebselement stärker
auszubilden, um höhere Kräfte der einzelnen Zahnsegmente
aufzunehmen, eine Torsion, Biegung zu verringern und gleichzeitig
ein hohes Abtriebs- oder Antriebsmoment aufzunehmen.
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Dabei
können auch mehrere Zahnsegmente in Axialrichtung nebeneinander
beabstandet in das Element, insbesondere in das Abtriebselement
eingesetzt sein, um die Kräfte auf das Hohlrad bzw. auf
unterschiedliche Bereiche der Verzahnung zu verteilen.
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Ferner
soll daran gedacht sein, dass die Zahnsegmente über entsprechende
Auflageelemente abgestützt sind, die wiederum über
entsprechende Lagerelemente des Antriebselementes rollen.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine äussere Kontur,
insbesondere Profilierung des Antriebselementes mit einer entsprechenden
umlaufenden Nut für die Lagerelemente, insbesondere Nadellager
vorzusehen, in welcher die Lagerelemente abwälzen. Diese
können axial stirnseitig nicht aus der Lagernut austreten.
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Von
aussen übergreifen seitliche Flansche der Auflageelement
die Lagerelemente, sodass eine axiale Fixierung sicher gestellt
ist. Die als segmentierter Lageraussenring ausgebildete Auflageelemente übertragen eine
lineare Bewegung des Zahnsegmentes auf die Verzahnung des Hohlrades.
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Das
Auflageelement vergrössert eine Fläche zur Kraftübertragung
auf das Zahnsegment. Dabei können die einzelnen Auflageelemente
stirnseitig durch entsprechende vorgesehene Vorsprünge
und Ausnehmungen von jeweils benachbarten Auflageelementen ineinandergreifen.
Diese greifen kettenartig oder formschlüssig ineinander
und lassen somit eine Bewegung in Radialrichtung zu.
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Bei
der vorliegenden Erfindung kann durch die entsprechende Wahl und
Anordnung der Zahnsegmente und der Anzahl der Zahnsegmente im Element,
insbesondere im Abtriebselement sowie durch die entsprechende radiale
Beabstandung benachbarter Zahnsegmente Einfluss genommen werden
auf die Steifigkeit der Führung der Zahnsegmente sowie
auf die Grösse des zu übertragenden Momentes.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
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1 einen
schematisch dargestellten Querschnitt durch ein Koaxialgetriebe;
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2a einen
schematisch vergrössert dargestellten Querschnitt des Koaxialgetriebes
gemäss 1;
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2b eine
schematisch dargestellte perspektivische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Koaxialgetriebes im Bereich
von Zahnsegmenten und Antriebselement.;
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3 einen
vergrössert dargestellten schematischen Teilquerschnitt
eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Koaxialgetriebes
gemäss 1;
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4 einen
schematisch dargestellten Teilquerschnitt eines noch weiteren Koaxialgetriebes
gemäss 1;
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5 eine
schematisch dargestellte perspektivische Darstellung auf ein Teil
eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Koaxialgetriebes
mit Zahnsegmenten und Auflageelementen;
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6 eine
schematisch dargestellte perspektivische Draufsicht auf einen Teil
des Koaxialgetriebes im Bereich der Zahnsegmente und Auflageelementen
gemäss 5;
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7 eine
perspektivische Unteransicht auf ein Ausführungsbeispiel
einer Auflageelement zur Übertragung der Schubbewegung
der Zahnsegmente.
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Gemäss 1 weist
ein Koaxialgetriebe R1 ein Hohlrad 1 auf,
welches eine innenliegende Verzahnung 2 mit einer Mehrzahl
von Zahnlücken 2' besitzt. Innerhalb des Hohlrades 1 ist
ein Element 3, bevorzugt ausgebildet als Abtriebselement,
kreisringartig eingesetzt, wobei im kreisringartigen Element 3 eine
Mehrzahl von radial nebeneinander und in entsprechende Führungen 4,
Zahnsegmente 5 eingesetzt sind. Die Zahnsegmente 5 sind
innerhalb der Führung 4 radial hin und her verschiebbar
gelagert und weisen einends Zahnflanken 6 auf.
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Innerhalb
des Elementes 3 mit aufgenommenen Zahnsegmenten 5 ist
ein Antriebselement 7, ausgebildet als Welle oder als Hohlwelle
vorgesehen, die eine äussere Profilierung 8 aufweist,
die bspw. mit einer Kontur 9, als Erhöhung, polygon-
oder nockenartig ausgebildet sein kann.
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Ebenfalls
ist zwischen der äusseren Kontur 9 der Profilierung 8 des
Antriebselementes 7 und dem Element 3, insbesondere
dem Abtriebselement bzw. einends der Zahnsegmente 5 eine
Lagerelement 10 vorgesehen, wie es insbesondere in den 2 bis 5 angedeutet
ist.
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Als
Lagerelement 10 können Nadellager od. dgl. Elemente
eingesetzt sein, die die äussere Kontur 9 der
Profilierung 8 des Antriebselementes 7 umfangen.
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Betreffend
die Funktionsweise des vorliegendes Koaxialgetriebes wird auf die
Deutsche Patentanmeldung
DE
10 2006 042 786 verwiesen. Dort ist die Funktionsweise
des Koaxialgetriebes genau beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung des o. g.
Koaxialgetriebes. Als besonders vorteilhaft hat sich bei der vorliegenden
Erfindung erwiesen, wie es bspw. aus 2a hervorgeht.
Dort ist dargestellt, dass nicht jedes Zahnsegment 5 in
eine entsprechende passende Zahnlücke 2' des Hohlrades 1 eingreift,
sondern dass nur in jede zweite, jede dritte oder jede vierte oder
jede „n"-te Zahnlücke 2' zumindest ein Zahnsegment 5 eingreift
bzw. dort in Eingriff gelangt. Auf diese Weise ist eine Breite B
zwischen zwei Führungen 4 zur Aufnahme der Zahnsegmente 5 wesentlich
vergrössert, was eine grössere Stabilität
und einen besseren Halt des Elementes 3, insbesondere ausgebildet
als Antriebselement gewährleist. Zudem wird auch eine grössere
Torsionssteifigkeit, Verbindungssteifigkeit zur Aufnahme einzelner
oder mehrerer Zahnsegmente 5 axial hintereinander gewährleistet.
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Hierdurch
lassen sich sehr hohe Momente torsionssteif übertragen.
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Im
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss 2b ist
ein Getriebe R2 aufgezeigt, bei welchem
zwischen den Auflageelementen 11 und dem Antriebselement 7,
insbesondere dessen Kontur 9 zwischen einzelnen benachbarten
Lagerelemente 10, insbesondere Nadellager, Abstandshalter 16 vorgesehen sind.
Die Abstandhalter 16 greifen jeweils stirnseitig an die
Lagerelemente 10 vorzugsweise beidseitig an und beabstanden
diese zueinander ketten- bzw. gliederartig. Es können entsprechende
Vorsprünge 13 in Ausnehmungen 14 oder
Rücksprünge eingreifen, um einerseits einen Spalt 26 zwischen
zwei benachbarten Auflageelementen 11 zu definieren und
gleichzeitig eine umfangsseitige Überlappung der benachbarten
Auflageelemente 11 hinsichtlich Vorsprung 13 und
Ausnehmung 14 herzustellen um gleichzeitig eine axiale
Lagerung und einen axialen Halt der einzelnen Auflageelemente 11 zu
gewährleisten. Diese sind axial nach aussen umfangsseitig
gesichert, insbesondere durch den Vorsprung 13, der in
eine passende Ausnehmung 14 eingreift, wobei auch daran
gedacht sein kann, dass der Vorsprung 13 die Ausnehmung 14 jeweils
nur als schräg ausgebildete Stirnseite ausgeformt sein
können. Dies soll ebenfalls im Rahmen der vorliegenden
Erfindung liegen.
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Wie
in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss 3 aufgezeigt
ist, greift in jede vierte Zahnlücke 2' zumindest
ein Zahnsegment 5 radial ein, wobei eine Breite B zwischen
zwei Führungen, insbesondere zwischen zwei radial benachbarten
Zahnsegmenten 5 wesentlich vergrössert ist, und
hierdurch unterschiedlich grosse Abtriebsmomente sowie Führungskräfte
der Zahnsegmente 5 in der Führung 4 aufgenommen
werden können.
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Im
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss 4 ist
dargestellt, wie in jede Zahnlücke 2' des Hohlrades 1 ein
Zahnsegment 5 in entsprechende Führungen 4 des
Elementes 3, insbesondere des Abtriebselementes eingreift,
wobei zur Stärkung, insbesondere Verstärkung,
des Elementes 3 zur Vergrösserung einer Breite
B des Elementes 3 ein Fussbereich 22 des Zahnsegmentes 5 querschnittlich
verjüngt ausgebildet ist.
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Der
Fussbereich 22 kann von einer Dicke DF sein,
die gleich oder kleiner ist als eine Dicke DZ der
Zahnflanke 6 des Zahnsegmentes 5.
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Auch
hier ist denkbar, dass jedes Zweite, jedes Dritte oder ein Vielfaches
der Zahnsegmente 5 in die jeweiligen Zahnlücke 2' des
Hohlrades 1 eingreifen. Dabei sind Fussbereiche 22 der
Zahnsegmente 5 in der Auflageelement 11 abgestützt,
die wiederum direkt oder indirekt in die Lagerelemente 10 gegenüber
dem Antriebselement 7, insbesondere dessen Profilierung 8 abgestützt
sind.
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Wie
ferner aus 3 ersichtlich ist, kann das
Zahnsegment 5 bspw. indirekt über ein Gelenk 12 mit einer
Ausnehmung 17 der Auflageelement 11 gelenkartig
abgestützt und innerhalb der Führung 4 gelagert sein.
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Wie
es in 4 oder 1 dargestellt ist, kann auch
direkt ein Fussbereich 22 durch eine entsprechende Profilierung 18 in
eine entsprechende Ausnehmung 17 der Auflageelement 11 eingreifen.
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Ferner
hat sich als besonders vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung
erwiesen, wie insbesondere aus dem Ausführungsbeispiel
gemäss 5 ersichtlich ist, dass eine
Mehrzahl von Auflageelementen 11 radial und nebeneinander
beabstandet auf einer äusseren Kontur 9 des Antriebselementes 7 angeordnet
sind. Dabei sind die Lagerelemente 10 in einer Lagernut 23 aussen
in der Kontur 9 bzw. Profilierung 8 eingelassen, so
dass diese axial weder in die eine noch in die andere Richtung austreten
können.
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Auf
die Lagerelemente 10 sind eine Mehrzahl von nebeneinander
angeordnete Auflageelement 11 aufgelegt, die ebenfalls
an ihrer Unterseite entsprechende Lagernuten 24 besitzen,
so dass stirnseitig entsprechende Flansche 25, wie in 7 dargestellt,
stirnseitig die Lagerelemente 10 übergreifen,
so dass das Auflageelement 11 axial gesichert auf den Lagerelementen 10,
insbesondere den Nadelrollen gehalten ist und radial eine optimale
Lagerung zulässt.
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Seitlich
besitzt das Auflageelement 11 einen Vorsprung 13,
der vorzugsweise dreieckartig und als stumpfes Dreieck ausgeformt
ist, welcher in eine entsprechende passende Ausnehmung 14 einer
benachbarten Auflageelement 11 eingreift. Die Auflageelement
besitzt einerseits einen entsprechenden Vorsprung 13 und
anderseits eine entsprechende Ausnehmung 14, die dem Eingreifen
des Vorsprunges 13 der benachbarten Auflageelement 11 dient.
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Ferner
ist die entsprechende Ausnehmung 17 vorzugsweise durchgehend
ausgebildet, so dass dort zumindest ein Zahnsegment 5 in
seinem Fussbereich 22 dort eingreifen kann.
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Bei
der vorliegenden Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen,
eine Mehrzahl von einzelnen Auflageelementen 11 mit Lagerelementen 10 segmentartig
auszubilden, die als segmentartige Lageraussenringe das eigentliche
Antriebselement 7, insbesondere dessen Profilierung 8 umfangen.
Gleichzeitig dient das Auflageelement 11 der Verteilung
der Kräfte auf die Zahnsegmente 5, wobei die Zahnsegmente 5 innerhalb
der Auflageelement 11 separat gelagert bzw. abgestützt
sind. Ein derartig segmentierter Lageraussenring, gebildet aus einer
Mehrzahl von segmentartigen Auflageelementen 11 ist sehr
steif und kann sehr hohe Kräfte bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten
auf die einzelnen Zahnsegmente übertragen.
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Es
hat sich als vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung erwiesen,
in Axialrichtung eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei nebeneinander
angeordnete zylindrisch ausgebildete Zahnsegmente 5 in
das Element 3, insbesondere in das Antriebselement in entsprechende
passende zylindrische Führung 4 einzusetzen, die
dann gemeinsam, in einer Auflageelement 11 abgestützt
sind.
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Ferner
ist denkbar, wie es insbesondere im Ausführungsbeispiel
gemäss 6 dargestellt ist, dass in einem
gemeinsamen Auflageelement 11 axial nebeneinander angeordnete
Zahnsegmente 5, oder sogar auch eine Mehrzahl davon, d.
h., drei, vier etc. angeordnet sind, und in der jeweils benachbarten
Auflageelement 11 bzw. im Element 3 dann radial
und axial versetzt dazu jeweils nur ein Zahnsegment 5,
oder eine entsprechend reduzierte Anzahl von Zahnsegmenten 5 eingesetzt
ist.
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Durch
den entsprechenden axialen Versatz der Zahnsegmente
5,
von Auflageelement zu Auflageelement im Element
3 wird
eine optimale Kraftverteilung gewährleistet, das Element
3 kann
in entsprechenden Bereichen in denen kein Zahnsegment
5 eingesetzt
ist, stabiler ausgebildet werden und die Zahnsegmente
5 greifen
in unterschiedliche Bereiche, insbesondere Eingriffsbereiche der
Verzahnung
2 ein, was den Verschleiss ebenfalls minimiert
und die Standzeit deutlich erhöht. Dann kann auch in jede
Zahnlücke
2' des Hohlrades mindestens ein Zahnsegment
5 eingreifen. Bezugszeichenliste
| 1 | Hohlrad |
| 2 | Verzahnung |
| 2' | Zahnlücke |
| 3 | Element |
| 4 | Führung |
| 5 | Zahnsegment |
| 6 | Zahnflanke |
| 7 | Antriebselement |
| 8 | Profilierung |
| 9 | Kontur |
| 10 | Lagerelement |
| 11 | Auflageelement |
| 12 | Gelenk |
| 13 | Vorsprung |
| 14 | Ausnehmung |
| 15 | Lageraussenring |
| 16 | Abstandhalter |
| 17 | Ausnehmung |
| 18 | Profilierung |
| 19 | Unterseite |
| 20 | Einführungsphase
n |
| 21 | Einschnürung |
| 22 | Fussbereich |
| 23 | Lagernut |
| 24 | Lagernut |
| 25 | Flansche |
| 26 | Spalt |
| R1 | Koaxialgetriebe |
| R2 | Koaxialgetriebe |
| R3 | Koaxialgetriebe |
| R4 | Koaxialgetriebe |
| B | Breite |
| DF | Dicke |
| DZ | Dicke |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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