DE102007041602A1

DE102007041602A1 - Innenrad-Kreisschubgetriebe ohne Zahnreibung mit minimalem Gleichlauffehler mit rückwärtiger Selbsthemmung bei hohem Antriebswirkungsgrad

Info

Publication number: DE102007041602A1
Application number: DE200710041602
Authority: DE
Inventors: Lothar Strach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-13
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2009-03-05
Also published as: DE102006058661A1

Abstract

Innenrad-Kreisschubgetriebe ohne Zahnreibung mit minimalem Gleichlauffehler mit rückwärtiger Selbsthemmung, funktionsgemäß bestehend aus einem flachen Gleitstein, geführt im Gestell und im kreisschiebenden Stirnrad. Die rückwärtige Selbsthemmung erfolgt infolge einer kurzen Laufflächenlänge des Gleitsteins in den Führungen des Gestells und des Stirnrads.

Description

In der Patentanmeldung 10 2006 058 661.1 vom 13. Dez. 2006 wird ein Getriebe beschrieben mit einem Kreuzschieber mit 4 drehbeweglichen Gleitsteinen zur Erzeugung einer Kreisschubbewegung des Antrieb-Stirnrades mit einem i = 1.
In der deutschen Patentschrift DE 195 15 146 vom 25.4.1995 und in der englischen Patentschrift GB 2 301 418 vom 20.3.1996 erfolgt die Kreisschubbewegung des Antrieb-Hohlrades mit einem i = 1 durch 3 Parallelkurbeln.
Eine Kreisschubbewegung des Antrieb-Stirnrades mit einem i = 1 kann ebenfalls erzeugt werden mittels eines rechteckig-quadratisch flachen Gleitsteins, beidseitig geführt im festen Lagergehäuse, um 90° versetzt ebenso beidseitig umschlossen von der Führung des kreisschiebenden Stirnrades. Ohne Momente werden in gleicher Ebene die Kräfte direkt zwischen diesen Führungen übertragen.
Eine besondere Funktion ist Gegenstand dieser Zusatz-Patentanmeldung.
Diese 3 Formen für die Erzeugung einer Kreisschubbewegung sind aus Getriebeuntersuchungen hervorgegangen, erprobt und belastet worden.
Diese 3 Formen sind die einzigsten bisher bekannten Systeme für die Erzeugung einer Kreisschubbewegung mittels niederer Elementenpaarungen, d. h. flächig wirkender Elemente mit hoher Belastbarkeit, ohne linienförmige Hertz-Pressung mit Reibung, was Bedingung ist für Zahnradgetriebe ohne Zahnreibung mit maximaler Beständigkeit und hohem Wirkungsgrad.
Nicht in Zeichnungen erkennbar, sondern nur an ausgeführten Getrieben überprüfbar ist der Umstand, dass diese 3 Getriebebauarten rückwärts drehfähig sind.
Bei einer Rückwärtsdrehung erfolgt eine Drehung des Hohlrades. Dessen Zähne wirken auf die Zähne des Stirnrades und bewirken eine Kreisschubdrehung des Stirnrades. Die jeweiligen Kontaktzähne von Hohl und Stirnrad befinden sich immer auf der gleichen Achse des maximalen Exzenterhubes des Antriebexzenters bei Parallelkurbeln oder auch bei nur einem Exzenter (Bild 1). Infolge dessen ist der Exzenter-Kurbeltrieb rückwärts drehbar.
Die Höhe der Untersetzung im Kreisschubgetriebe hat darauf keinen Einfluss.
Über Planetengetriebe mit Selbsthemmung wird ausführlich berichtet von Prof. H. W. Müller in Die Umlaufgetriebe, Springer Verlag 1997, ab S. 59: Selbsthemmung durch Zahneingriff als Kennzeichen der Selbsthemmung...hohe Umlaufwirkungsgrade erhält man durch niedrige Wälzleistung...
Planetengetriebe mit höherem i haben ein η < 50% und sind dann selbsthemmend.
Prof. Müller behandelt auf S. 83 das Cyclo-Getriebe. Dabei erfolgt kein Zahngleiten, durch Abrollen sind die Reibungsverluste niedrig, eine Selbsthemmung ist weit entfernt.
Das gleiche gilt für das Harmonic Drive Getriebe, als sliding wedge gears oder sliding key ohne Zahnwälzleistung ebenfalls von Selbsthemmung weit entferne.
Die Abwesenheit einer Zahnreibung ermöglicht somit keine Getriebe-Selbsthemmung.
Die Selbsthemmung an Zahnradgetrieben ist ausführlich behandelt in Konstruktion 11/1969 von Prof. Böttcher, in VDI-Berichte Nr. 374, 1980 von Prof. Jarchow, weiter in antriebstechnik 1/1984 von Prof Basedow. In VDI-Berichte Nr. 672, 1988 berichtet Dr. Bouche' über selbsthemmende Planetengetriebe.
Selbsthemmende Getriebe werden erfunden und vorgeschlagen für KFZ-Fensterheber, Schiebedach, Sitzverstellung, etc.
Die amerikanische Patentschrift US 4 407 544 vom 24.5.1980 beschreibt die Fixierung einer Sitzlehnen-Verstellung mit einer Verklemmung des Stirnrades in die Zähne eines Hohlrades.
In OS DE 198 50 908 vom 11.5.2000 beschreibt die Firma Bosch ein Exzenterzahnradgetriebe für Antriebe mit 7000 Upm mit elastischen Teilen. Darin wird die kreisförmige Bewegung des Exzenterrades in zwei lineare, zueinander senkrechte Bewegungen aufgeteilt. Für höhere Drehmomente und stoßende Belastung nicht geeignet.
In OS DE 199 10 922 vom 14.9.2000 beschreibt die Firma Bosch ein Exzenterzahnradgetriebe mit Steuerung durch höhere Elementenpaarung.
Für gleiche Anwendungen beschreibt in OS DE 101 49 479 vom 10.4.2003 die Firma Siemens einen Stellmotor mit 2 Motoren und 2 Schnecken.
In Konstruktion 43/1991 beschreibt Prof. Koller in einem nachgestellten Konstruktions- bzw. Erfindungsprozeß die mögliche kinematische Ableitung eines Kfz-Rückenlehnen-Getriebes der Erfinder F. W. und P. U. Putsch.
In einem kleinen Kreisschub-Mustergetriebe des Anmelder Strach mit einem Katalog-Hohlrad und -Stirnrad und einer Kreisschub-Steuerung mittels einer angefertigten Oldham-Kupplung aus Kunstkohle im genormten Stirnradbund ergab sich im Versuch ein sofortiger ruckartiger Stillstand einer angehängten Vertikal-Last beim Abschalten des Bosch-Antriebsmotors. Die Motordrehzahl und damit die Last-Absenkgeschwindigkeit waren stufenlos in einem großen Bereich geändert worden.
Die Gründe für eine Getriebe-Selbsthemmung waren nicht erkennbar und ergaben sich erst Monate später. Eine Motor-Bremse war nicht vorhanden. Es bestand keine Zahnreibung.
Ähnlich nach diesem Muster wurde ein größeres Getriebe konstruiert, gebaut und erprobt. Mit einem Antrieb von 1 kW bei 1000 Upm und Md = 9 Nm und einer ersten Untersetzung von i = 4 entstand am Abtrieb des Kreisschubgetriebes ein Md = 540 Nm bei 15 Upm und einem i = 15 am Kreisschubgetriebe, insgesamt i = 60.
Der Antriebsexzenter hatte einen Exzenter-Radius von 6 mm. Das Stirnrad Z₁ war mit 110 Zähnen und d_t = 165 mm, das Hohlrad Z₂ mit 118 Zähnen und d_t = 177 mm. Mit Normal-Modul 1,5 ergab ΔZ = 8 einen Eingriffswinkel α = 20°.
Die Oldham-Kupplung wurde verändert und eine Selbsthemmung war erwartet worden. Ein flacher rechteckig-quadratischer Gleitstein maß 80 × 80 mm, 12 mm dick. Das Getriebe sollte sehr flach bauen.
Bei Belastungsversuchen zeigte das Getriebe keine rückwärtige Selbsthemmung bei Stillstand des 1 kW – Motors mit anhängender Vertikal-Last am Abtrieb des Kreisschubgetriebes.
Infolge eines Maßvergleichs der Laufflächenlänge zum kleineren Mustergetriebe kam die Idee auf die Laufflächenlängen am Gleitstein zu kürzen.
Es wurden die Laufflächenlängen des Gleitsteins symmetrisch reduziert auf 70 und dann 60 mm. Dabei war für die anhängende Vertikal-Last eine Selbsthemmung bei Motorstillstand erkennbar.
Bei 50 mm Länge der Lauffläche war das Maximum der Selbsthemmung erreicht. Keine noch zusätzliche Last konnte das Getriebe rückwärts drehen bei Drehzahl 0.
Die Maßverhältnisse ändern sich analog des gewählten Untersetzungsverhältnisses im Kreisschubgetriebe. Mit Z₁ = 124 Zähnen, Z₂ = 128 Zähnen, Modul 1,25 entsteht i = 32.
ΔZ wird 4 und verlangt nach Henriot α_p = 30° für die Verzahnungswerkzeuge.
Mit der erhöht rückwärts wirkenden Kraft erhöht sich die Laufflächenpressung für eine Selbsthemmung.
Sofern erforderlich bei schnellen Schaltbewegungen größerer Massen ist das Herabfahren eines Drehstrommotors innerhalb von 15 ms auf Drehzahl 0 möglich mittels eines verschleißfreien elektrischen Thyristor-Umkehrsteller (Siemens) oder eines einstellbaren Motorbremsgerät (Seikom), ebenso grundsätzlich mittels Schutz- oder 4-Q-Steuerung.
Die Laufflächenkürze des Gleitsteins hat keinen Einfluss auf den Normalantrieb: Der Kraftfluss in Antriebsrichtung folgt vom Exzenter auf die Zähne der Stirnradverzahnung und dann auf die Zähne der Hohlradverzahnung. Der Gleitstein hat nur steuernde Funktion für die Erzeugung der Kreisschubbewegung: dem Einführen der Stirnradzähne in die Hohlradzahnlücken und der Verhinderung der Eigendrehung des Stirnrades tun die geometrische Mitte.
Die Selbsthemmung basiert aufgrund von Hebelreibsystemen mit stoßendem Klemmbereich, allgemein beschrieben von Prof. Roth in Konstruieren mit Konstruktionskatalogen Band III, Springer-Verlag S. 58 usf., während des Normallaufens ein Ziehen aus dem Klemmbereich stattfindet.
Seit langem ist in der Zahnradtechnik der geometrische Verlustbeiwert f_b bekannt mit einer Verlustunsymmetrie infolge der stemmenden und ziehenden Reibung zwischen treibender und getriebener Zahnkraft um den Wälzpunkt mit Gleitgeschwindigkeit = 0. (DIN 867). Stemmende Reibung erhöht die Normalkrafft zwischen Reibpartnern, ziehende verringert sie.
(Prof H. W. Müller: Die Umlaufgetriebe, 1997, S. 14, Fußnote).
Das ist der Grund bisheriger Fachmeinung dass ohne Zahnreibung eine Getriebeselbsthemmung nicht möglich sei.
Im Normalbetrieb erfolgt auf den Gleitflächen des Gleitsteins ein Ziehgleiten.
Bei rückwärtiger Drehung erfolgt ein Stemmgleiten und erzeugt eine Selbsthemmung in einem entsprechend gestalteten Hebelreibsystem.
(Getriebetechnische Grundlagen, Begriffsbestimmung der Getriebe, VDI 2127, VDI-Richtlinien 1993, S. 24)
Werden die Längen der Laufflächen des Gleitsteins in Bezug auf den Stirnrad-Durchmesser entsprechend angefertigt, erfolgt bei Stillstand des Hand- oder Motorantriebes sofort eine rückwärtige Selbsthemmung gegen links- oder rechtsdrehende rückwärtige Kräfte oder Momente.
Es werden damit ersetzbar selbsthemmende Schneckentriebe mit deren geringem Antriebswirkungsgrad bei < 10° Steigung, es wird ersetzbar die sonst übliche Haltebremse an der Motor-B-Seite (wegen Abrieb wartungspflichtig). Auch Servo-Antriebe erlangen einen sicheren Stillstand bei Stromausfall, ferner einsetzbar bei allen Hebezeugen und dgl.
Ein Losbrechmoment beim Wieder-Anfahren ist nicht erforderlich.
Bild 1 zeigt die maßstabgetreue Getriebebauart ohne Selbsthemmung.
Z₁ ist das Stirnrad mit Kreisschubbewegung, Z₂ das rotierende Hohlrad.
Teil 1 ist der flache Gleitstein, eingefasst in die gestellfeste Führungen des Gehäuses 2, umfasst von den im Kreisschub beweglichen Führungen 3 des Stirnrades Z₁.
Bild 2 zeigt die maßstabgetreue Getriebebauart mit Selbsthemmung infolge Verkürzung der Lauflächenlänge.
Wesentlich ist, dass bei einer Kreisschubbewegung alle Materialpunkte der im Kreisschub bewegten Elemente die gleiche Umlaufgeschwindigkeit der Exzenterdrehung aufweisen.
Wesentlich ist ferner, dass die Umfangs-Abtriebs-Geschwindigkeit des Hohlrad-Teilkreis die gleiche Umlaufgeschwindigkeit der Exzenterdrehung hat.
Daraus folgt dass die Funktion des Kreisschubgetriebes ohne Zahnreibung unabhängig von der Antriebsdrehzahl ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006058661 [0001]
- DE 19515146 [0002]
- GB 2301418 [0002]
- US 4407544 [0017]
- DE 19850908 [0018]
- DE 19910922 [0019]
- DE 10149479 [0020]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Prof. H. W. Müller in Die Umlaufgetriebe, Springer Verlag 1997, ab S. 59 [0010]
- 11/1969 von Prof. Böttcher, in VDI-Berichte Nr. 374 [0015]
- 1980 von Prof. Jarchow, weiter in antriebstechnik 1/1984 von Prof Basedow [0015]
- VDI-Berichte Nr. 672, 1988 [0015]
- Prof. Roth in Konstruieren mit Konstruktionskatalogen Band III, Springer-Verlag S. 58 [0036]
- DIN 867 [0037]
- Prof H. W. Müller: Die Umlaufgetriebe, 1997, S. 14, Fußnote [0037]
- Getriebetechnische Grundlagen, Begriffsbestimmung der Getriebe, VDI 2127, VDI-Richtlinien 1993, S. 24 [0040]

Claims

Innenrad-Kreisschubgetriebe ohne Zahnreibung mit einem verzahnten Hohlrad als Abtrieb und einem verzahnten Stirnrad als Antrieb mittels Kreisschubbewegung mit nur 1 Exzenter zur Erzeugung des Kreisschubes dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Kreisschubbewegung mittels eines flachen rechteckig-quadratischen Gleitsteins erfolgt mit einer beidseitig gegenüber liegenden Führung im Gehäuse und einer um 90° versetzten beidseitig gegenüber liegenden Führung im exzentrisch bewegten Stirnrad.
Innenrad-Kreisschubgetriebe ohne Zahnreibung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mittels Anwendung einer relativ zum Stirnraddurchmesser angepassten kurzen Lauflächenlänge zwischen dem rechteckig-quadratischen Gleitstein und der Gehäuse- und Stirnrad-Führungen eine Selbsthemmung auftritt infolge stoßender Reibung durch rückwärts wirkende Kräfte oder Momente bei Antriebsdrehzahl 0.