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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Wellgetriebevorrichtung mit
einem Flextopf, in den mit einem Wellgenerator über eine
Lageranordnung eine Wellbewegung eingebracht wird, wobei der Flextopf eine
Außenverzahnung aufweist, die durch die eingebrachte Wellbewegung
in eine Innenverzahnung eines Statorkörpers periodisch
umlaufend eingreift und eine Drehbewegung des Flextopfes gegenüber
dem Statorkörper erzeugt.
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Wellgetriebevorrichtungen
bilden eine Sonderform hoch untersetzender Getriebe, die zum Antrieb
von technischen Mechaniken, Robotern und dergleichen zum Einsatz
kommen, wobei Wellgetriebevorrichtungen häufig als "Harmonic
Drive" bezeichnet und vertrieben werden.
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Wellgetriebevorrichtungen
weisen einen Antrieb und einen Abtrieb auf, wobei die Vorrichtung über
einen ruhenden Statorkörper verfügt. Der Statorkörper
weist einen starren, kreisförmigen und mit einer Innenverzahnung
ausgebildeten Bereich auf. Mit der Innenverzahnung kämmt
eine Außenverzahnung, die auf dem Flextopf aufgebracht
ist. Der Flextopf ist flexibel ausgeführt und verfügt über
eine ebenfalls flexible Außenverzahnung. Die Außenverzahnung
ist derart in der Innenverzahnung angeordnet, dass die jeweilige
Verzahnung durch zwei sich gegenüberstehende Positionen
ineinander greift, wobei die periodische Wellbewegung der Verzahnungen
durch den Wellgenerator hervorgerufen wird. Der Wellgenerator umfasst
zunächst eine starre Nabe, durch die dieser mit einer schnell
drehenden Welle verbunden werden kann. Der Wellgenerator weist eine
elliptische Außenkontur auf, auf der ein Innenring eines
Wälzlagers aufgebracht ist. Der Innenring nimmt dabei ebenfalls
eine elliptische Gestalt an, so dass durch die Drehbewegung des
Wellgenerators die Wellbewegung über Wälzkörper,
die zwischen dem Innenring und dem Außenring der Lageranordnung
angeordnet sind, auf den Außenring übertragen wird.
Der Außenring überträgt die Wellbewegung
auf den Flextopf und damit auf die Außenverzahnung, so dass
der periodisch umlaufende Zahneingriff zwischen der Innenverzahnung
und der Außenverzahnung an den zwei sich gegenüberstehenden
Positionen hervorgerufen werden kann. Folglich werden die Verzahnungsbereiche
der flexiblen Außenverzahnung auf dem Flextopf am jeweiligen
Ende der elliptischen Hauptachse des elliptischen Wellgenerators dazu
gebracht, mit den entsprechenden Zähnen der starren Innenverzahnung
am Statorkörper zu kämmen. Wenn der Wellgenerator
durch einen Motor in Rotation versetzt wird, bewegen sich die Positionen, in
denen die beiden Zahnräder miteinander kämmen, um
den Umfang herum, wodurch eine relative Rotation erzeugt wird, die
sich aufgrund der Differenz in der Anzahl von Zähnen der
Innenverzahnung bezogen auf die Außenverzahnung ergibt.
Im Allgemeinen beträgt die Differenz in der Anzahl von
Zähnen bei den beiden Zahnrädern zwei Zähne,
und bei Anbringung eines Innenzahnrades an einem Antriebsgehäuse wird
die rotationsgemäße Ausgangsleistung des Motors
von dem externen Zahnrad, welches durch das Außenzahnrad
verkörpert ist, abgenommen, wodurch die Drehzahl aufgrund
der Differenz in der Anzahl von Zähnen stark vermindert
wird. Damit sind Übersetzungsverhältnisse mit
einem Faktor größer 100, minimal größer
50 und in Ausnahmefällen größer als 30
umsetzbar.
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Eine
gattungsgemäße Wellgetriebevorrichtung ist aus
der
DE 102 15 569
B4 bekannt. Die hierin beschriebene Wellgetriebevorrichtung
weist eine Lageranordnung auf, die einen Innenring und einen Außenring
umfasst, wobei zwischen den Ringen Wälzkörper
in Form von Lagerkugeln angeordnet sind. Der Außenring
der Lageranordnung sitzt innenseitig im Flextopf, und ist mit diesem
entweder kraft-, form- oder reibschlüssig verbunden. Die
Verbindung zwischen dem Außenring der Lageranordnung und
dem Flextopf stellt besondere Anforderungen an die Festigkeit, da
eine dauerhafte Wellbewegung erfolgt, die über den Außenring
auf den Flextopf übertragen werden muss. Nachteilhaft ist
insbesondere eine große Anzahl von Bauteilen, die einzeln
gefertigt und zu einer Gesamtvorrichtung montiert werden müssen.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellgetriebevorrichtung
mit einem vereinfachten Aufbau zu schaffen. Insbesondere liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wellgetriebevorrichtung mit
einer verringerten Anzahl von Einzelteilen bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Wellgetriebevorrichtung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die
Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Außenring
der Lageranordnung einteilig mit dem Flextopf ausgebildet ist.
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Mit
der einteiligen Ausführung des Flextopfes und des Außenrings
der Lageranordnung wird der Vorteil erreicht, dass die Anzahl der
Einzelteile der Wellgetriebevorrichtung reduziert wird. Insbesondere entspricht
die Lageranordnung keinem handelsüblichen Standardlager,
welches fertig montiert beschafft und lediglich eingefügt
werden kann. Lageranordnungen, die zwischen Wellgenerator und Flextopf zum
Einsatz kommen, sind aus hochflexiblen und dauerbiegeelastischen
Materialien hergestellt, die eine Spezialanfertigung erfordern.
Folglich müssen Außen- und Innenring einzeln beschafft
und montiert werden. Daher ergibt sich aus der erfindungsgemäßen
einteiligen Ausführung des Außenrings mit dem Flextopf
der besondere Vorteil, dass der Außenring bereits am Flextopf
angeformt und einsatzfertig ist. Der Flextopf und der Außenring
können bis zum einsatzfertigen Zustand endbearbeitet werden,
so dass auch im Handling zur Montage der Wellgetriebevorrichtung
wenigstens ein einzeln zu bewegendes Bauelement entfällt.
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Weiterführend
kann vorgesehen sein, dass der Innenring der Lageranordnung einteilig
mit dem Wellgenerator ausgebildet ist. Im Ergebnis kann ein weiteres
Bauteil eingespart werden, so dass auch die einzelne Handhabung
des Innenrings der Lageranordnung entfällt. Zur Montage
der Lageranordnung müssen lediglich die Wälzkörper
zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet werden,
die auf gewöhnliche Weise mit einem Lagerkäfig
auf dem Umfang gleich beabstandet in Position gebracht werden. Das
Wälzlager kann vorzugsweise als Rillenkugellager ausgeführt
sein, wobei die vorliegende Erfindung auch auf Doppel-Rillenkugellager
und jede weitere Lagerausführung anwendbar ist, die bei
Wellgetriebevorrichtungen bekannt oder wenigstens einsetzbar sind.
Der Wellgenerator besitzt eine elliptische Außenkontur,
auf die ein zunächst kreisrund ausgeführter Lagerring
konventionell aufgepresst wird. Dieser nimmt sodann die elliptische
Kontur der Außenseite des Wellgenerators an. Ist der Innenring der
Lageranordnung direkt in die Außenkontur des Wellgenerators
eingearbeitet, so kann, beispielsweise mit einer spanenden Bearbeitung,
insbesondere mit einer Dreh-, Fräs- oder Schleifbearbeitung,
die elliptische Ausbildung des Innenrings auf der Außenfläche
gefertigt werden. Diese umfasst eine Laufrille, die zwischen zwei
Schultern angeordnet ist. Analog zur Bearbeitung des Innenrings
kann auch der Außenring innenseitig im Flextopf ausgebildet
sein.
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Vorteilhafterweise
ist der Flextopf in Richtung seiner Rotationsachse durch einen Topfrand
begrenzt, wobei der Außenring im Bereich des Topfrandes
angeformt ist. Die Rotationsachse bildet die Symmetrieachse der
Wellegetriebevorrichtung, wobei der Topfrand etwa die antriebsseitige
Begrenzung der Vorrichtung bildet. Entsprechend ist innenseitig im
Bereich des Topfrandes der Wellgenerator und die Lageranordnung
angeordnet, so dass der Außenring im Bereich des Topfrandes
angeformt wird.
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Zur
weiteren Verringerung der Anzahl der Einzelteile ist vorgesehen,
dass die Außenverzahnung auf dem Flextopf einteilig mit
diesem ausführt ist, wobei auch die Außenverzahnung
im Bereich des Topfrandes angeformt ist. Der Topfrand weist folglich innenseitig
den Außenring der Lageranordnung und außenseitig
die Außenverzahnung der Zahnradpaarung auf.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wellgetriebevorrichtung ist der Flextopf mit der angeformten Außenverzahnung
und dem angeformten Außenring durch ein Kunststoff-Spritzgussverfahren
hergestellt. Vorzugsweise ist ein faserverstärkter Kunststoff
vorgesehen, um eine hohe Festigkeit und einen Verschleißwiderstand zu
gewährleisten. Alternativ kann der Flextopf aus einem Aluminium-Druckgussverfahren
hergestellt werden. Ein weiteres mögliches Herstellungsverfahren des
Flextopfes mit dem angeformten Außenring sowie der Außenverzahnung
bietet das Tiefziehen, wobei die geometrische Gestalt der Außenverzahnung und
des angeformten Außenrings durch ein spanendes Bearbeitungsverfahren
in den tiefgezogenen Flextopf eingebracht wird. Unabhängig
vom Herstellungsverfahren kann zunächst ein Rohling des
Flextopfes mit den jeweiligen Anformungen bereitgestellt werden,
um durch ein spanendes Bearbeiten die Endkontur herzustellen. Dabei
kann insbesondere berücksichtigt werden, dass die notwendige
Materialdicke im Bereich des Topfrandes dicker gewählt
wird als der übrige Körper des Flextopfes. Folglich
kann der erforderliche Hinterschnitt durch eine Drehbearbeitung
erzeugt werden. Die Verzahnung kann beim Spritz- oder Druckgussverfahren
direkt durch die Form vorgegeben werden, wobei bei einem umformtechnisch
hergestellten Flextopf die Verzahnung auch durch ein nachfolgendes
Umformverfahren eingebracht werden kann.
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Einer
weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wellgetriebevorrichtung folgend weist die Oberfläche des
Außenrings und/oder der Außenverzahnung eine aufgebrachte
Hartstoffbeschichtung auf. Folglich können Materialien
zur Herstellung des Flextopfes verwendet werden, die zunächst
keine hohe Verschleißfestigkeit erlauben. Durch die nachträgliche
Aufbringung einer Hartstoffbeschichtung kann jedoch unabhängig
vom Grundwerkstoff des Flextopfes trotz Erhalt der Flexibilität des
Flextopfes eine große Verschleißfestigkeit sichergestellt
werden.
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Um
einen Abtrieb durch den Flextopf zu ermöglichen, weist
dieser einen Flansch auf, an den eine Abtriebswelle angebracht werden
kann. Innenseitig umfasst der Flansch eine Bohrung zur Aufnahme
einer Welle, wobei die Verbindung zwischen dem Flansch und der Welle
durch bekannte Wellen-Nabe-Verbindungen hergestellt werden kann.
Insgesamt weist die Wellgetriebevorrichtung eine rotationssymmetrische
Gestalt auf, wobei sich der Flansch, der Flextopf, die Lageranordnung
und der Wellgenerator konzentrisch um die Rotationsachse herum erstrecken.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend
gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 eine
Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Wellgetriebevorrichtung mit einem Flextopf und einem an diesem angeformten
Außenring einer Lageranordnung und
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2 eine
detaillierte Darstellung des Flextopfes mit einem angeformten Außenring
einer Lageranordnung.
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Die
in 1 dargestellte Wellgetriebevorrichtung 1 entspricht
einem möglichen Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Die Vorrichtung umfasst einen Flextopf 2, der
topfartig ausgeführt ist und einen Hohlraum besitzt, der
zur rechten Bildseite geöffnet ist. Die Wellgetriebevorrichtung 1 erstreckt sich
konzentrisch um eine Rotationsachse 12, die zugleich die
Achse bildet, in der sowohl der Antrieb als auch der Abtrieb der
Getriebevorrichtung angebracht werden kann. Der wellenartige Antrieb
(nicht dargestellt) wird mit einer Nabe 16 verbunden und
versetzt diese in eine Drehbewegung. Auf der Nabe 16 ist
ein Wellgenerator 3 angeordnet, der zwischen einer Stützscheibe 17 und
einem axialen Sicherungsring 18 aufgenommen ist. Zwischen
dem Wellgenerator 3 und dem Flextopf 2 befindet
sich eine Lageranordnung 4, die einen Außenring 8 sowie
einen Innenring 9 umfassen. Die Ringe 8 und 9 sind
jeweils an die angrenzenden Körper angeformt. So ist erfindungsgemäß der
Außenring 8 einteilig mit dem Flextopf 2 ausgeführt,
wobei weiterführend der Innenring 9 mit dem Wellgenerator 3 einteilig
ausgeführt ist. Zwischen dem Außenring 8 und
dem Innenring 9 befinden sich Wälzkörper 10,
die als Kugeln ausgeführt sind und in jeweiligen Laufrillen
innerhalb des Außenrings 8 und des Innenrings 9 abwälzen.
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Der
Wellgenerator 3 besitzt eine elliptische Außenkontur,
so dass bei einer Drehbewegung des Wellgenerators 3 die
sich gegenüberstehenden Hauptachsen innerhalb des Flextopfes 2 rotieren. Folglich
wird der Flextopf 2 periodisch umlaufend verformt, wodurch
eine Wellbewegung im Flextopf 2 erzeugt wird. Die Außenverzahnung 5 kämmt
an den zwei sich gegenüberstehenden Außenseiten
der Ellipse in der Innenverzahnung 6, die im ruhenden Statorkörper 7 eingebracht
ist. Durch eine Zähnezahldifferenz zwischen der Außenverzahnung 5 und
der Innenverzahnung 6 wird eine Drehbewegung des Flextopfes 2 relativ
zum Statorkörper 7 erzeugt. Da sich die Antriebswelle
innerhalb der Nabe 16 dreht, kann eine Untersetzung der
Drehbewegung des Flextopfes 2 relativ zur Nabe 16 von
1:100, von 1:50 und in Ausnahmefällen auch von 1:30 erzielt
werden. Folgend eignen sich derartige Wellengetriebevorrichtungen 1 zur
Bildung sehr großer Untersetzungsverhältnisse
mit entsprechendem Momentenverhältnis. Der Abtrieb der
Wellengetriebevorrichtung 1 erfolgt über einen
Flansch 11, der gemeinsam mit dem Flextopf 2 konzentrisch
um die Rotationsachse 12 ausgebildet ist. Zur detaillierteren
Darstellung der erfindungsgemäßen Ausführung
des Flextopfes 2 mit angeformtem Außenring 8 ist
der Flextopf 2 in 2 detailliert im
Schnitt dargestellt.
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2 zeigt
eine quergeschnittene Ansicht des Flextopfes 2 der erfindungsgemäßen
Wellgetriebevorrichtung. Dieser weist eine topfförmige
Gestalt auf, die sich rotationssymmetrisch um die Rotationsachse 12 herum
erstreckt. Linksseitig befindet sich ein Flansch 11 am
Flextopf 2, der einteilig mit diesem verbunden ist. Der
Flansch 11 ist an einem scheibenförmigen Abschnitt
des Flextopfes 2 angeformt, der den Bodenbereich des Flextopfes 2 bildet.
Dieser geht in einen Mantelbereich über, der sich in Richtung
der Rotationsachse 12 erstreckt und in einem Topfrand endet.
Im Bereich des Topfrandes ist innenseitig am Flextopf 2 der
Außenring 8 angeformt, um einen Bestandteil einer
Lageranordnung zu bilden. Der Außenring 8 wird
durch eine erste Schulter 14 und eine zweite Schulter 15 gebildet,
wobei zwischen den Schultern 14 und 15 eine Laufrille 13 für
den Wälzkontakt mit den Wälzkörpern der
Lageranordnung ausgebildet ist. Außenseitig umfasst der
Flextopf 2 im Bereich des Topfrandes eine Außenverzahnung 5,
die eine strichpunktierte Linie besitzt, welche den Wirkdurchmesser
der Verzahnung andeutet. Folglich umfasst der Flextopf erfindungsgemäß sowohl
den Außenring 8 der Lageranordnung als auch die
Außenverzahnung 5 der Verzahnung mit dem Statorkörper.
Der Flextopf 2 mit dem Außenring 8 sowie
der Außenverzahnung 5 kann aus einem Kunststoffmaterial
oder einem Federstahl hergestellt sein, wobei auch ein Aluminium-Druckgusswerkstoff
ein mögliches Material bildet.
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Die
Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung
auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht. Insbesondere ist die Lageranordnung nicht auf die
Ausführung eines Wälzlagers begrenzt, da dieses
auch in Gestalt eines Gleitlagers ausgeführt sein kann.
Der Außenring der Lageranordnung kann daher auch ohne die
Schultern 14 und 15 sowie die Laufrille 13 ausgeführt
sein, und lediglich eine plane Innenfläche aufweisen. Ferner
ist zur weiteren Reduktion der Wellgetriebevorrichtung 1 eine
einteilige Ausführung der Nabe 16 sowie der Stützscheibe 17 und
dem Wellgenerator 3 möglich, so dass auch der
Sicherungsring 18 entfallen kann. Insgesamt besteht neben
dem Erfordernis der Wälzkörper 10 die
Möglichkeit, die Wellgetriebevorrichtung 1 lediglich
aus dem Flextopf 2, dem Wellgenerator 3 sowie
dem Stator 7 als dreiteilige Vorrichtung auszuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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