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Die
Erfindung betrifft ein Exzenterverstellgetriebe zum Verstellen zweier
Bauteile gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1. Derartige Verstellgetriebe werden unter Anderem
am Gelenkarm eines Industrieroboters, an den Gelenkteilen eines
Autositzes, zum Verstellen einer Nockenwelle und als Untersetzungsgetriebe
verwendet.
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Verstellgetriebe
der bekannten Art sind z. B. Cyclo-Getriebe, Harmonic-Drive-Getriebe oder Varianten
von Planetengetriebe. Bei den meisten Anwendungsfällen wird
das Getriebe von einem Elektromotor angetrieben. Um die Größe des Elektromotors klein
zu halten wird eine möglichst
hohe Übersetzung benötigt. Um
die Größe des Getriebes
klein zu halten, sollte das Getriebe in einer Getriebestufe eine hohe Übersetzung
realisieren.
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Diese
Anforderungen werden von den oben genannten Getriebetypen relativ
gut erfüllt.
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Ein
weiteres Merkmal für
solche Getriebe ist die Teilevielfalt und der damit einhergehende
Bauaufwand. Für
einige Anwendungen wird ein spielarmes oder sogar spielfreies Verstellgetriebe
gefordert. Die Größe des freien
Spiels kann bei den üblichen
Verstellgetrieben nur über
eine Begrenzung der Fertigungstoleranzen reduziert werden.
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Außerdem wird
in der Regel ein Mindestspiel benötigt, um die Funktion des Getriebes
zu gewährleisten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Verstellgetriebe anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung sieht vor, daß ein
Sternzahn elastisch biegbare radiale, stabförmige Zahnelemente hat, wobei
der Sternzahn in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein
radiales Übermaß gegenüber der
Zahnkontur des Abtriebselementes aufweist, so daß die Zahnelemente in der Ebene
des Sternzahns unter Vorspannung seitlich gebogen sind, was zu einem
spielfreien, verpreßt
montierten Getriebe führt.
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Bei
einer mit Spiel behafteten Montage bieten die stabförmigen Zahnelemente
des Sternzahns den Vorteil, daß sich
die Drehsteifigkeit des Verstellgetriebes verringert. Dies kann
bei bestimmten Anwendungen von Vorteil sein, so können dadurch
z. B. selten auftretende Maximallasten abgefedert werden, so daß die inneren
Kräfte
im Getriebe eine bestimmte Größe nicht überschreiten.
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Die
stabförmigen,
biegbaren Zahnelemente bewirken auch, daß sich die anliegende Last
besser auf die einzelnen im Zahneingriff befindlichen Zahnelemente
verteilt, so daß die
Spitzenlasten an einzelnen Zähnen
verringert werden.
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Die
Biegemöglichkeit
der Zahnelemente wirkt sich auch positiv auf die gesamte Verzahnungsgeometrie
aus. So bewirken schon sehr geringe Auslenkungen X eine wesentliche
Vergrößerung der Krümmungsradien
an den Zahneingriffskonturen, und eine höhere Anzahl von Zahnelementen,
die sich gleichzeitig im Zahneingriff befinden.
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Das
Getriebe kann mit geringem Bauaufwand eine große Übersetzung realisieren, und
dazu eine Spielfreiheit zwischen An- und Abtrieb gewährleisten,
ohne daß kostspielige
Fertigungsverfahren notwendig werden.
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Nachstehend
wird eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung anhand von Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Es
zeigen:
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1 – eine perspektivische
Darstellung eines Verstellgetriebes.
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2 – eine perspektivische
Explosionsdarstellung dieses Verstellgetriebes.
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3 – eine ebene
Ansicht auf die Verzahnung des Verstellgetriebes.
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4 – einen
Schnitt durch die Drehachsen des Verstellgetriebes.
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5 – eine vergrößerte Detailansicht
von 3.
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6 – eine Darstellung
der Momentanpole des Verstellgetriebes.
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Das
Verstellgetriebe besteht aus einem Gehäuse 3, einer Exzenterwelle 2,
einem Sternzahn 1 und aus einem anzutreibenden Abtriebselement 4.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass ein sogenannter Sternzahn 1 von einer Exzenterwelle 2 in
Kreisschub-Bewegungen versetzt wird. Der Sternzahn ist hierzu auf
der Exzenterwelle exzentrisch gelagert und wird in einem Gehäuse 3 geführt. Die Zahnkonturen 1b des
Sternzahns 1 greifen in eine Hohlradverzahnung 4a ein,
die starr mit dem Abtriebselement 4 verbunden ist, und
versetzen dieses bei Drehung der Exzenterwelle 2 in eine
Drehbewegung. Die Exzenterwelle 2 und die Hohlradverzahnung 4a sind
koaxial in dem Gehäuse 3 gelagert.
Der Sternzahn enthält
Balkenelemente 1a, an deren Ende jeweils eine Zahnkontur 1b anschließt, die
in die Hohlradzahnkontur 4b der Hohlradverzahnung 4a eingreifen
kann. Die Zahnkontur 1b geht radial innen in eine Abstützkontur 1c über, die
in Kontakt mit einer Stegkontur 3b steht, die sich an den
Rändern
einer Vielzahl von Stegen 3a befinden, die starr mit dem
Gehäuse 3 verbunden
sind.
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Das Übersetzungsverhältnis i
ergibt sich nach der Gleichung
- Zh
- ist die Anzahl der
Zähne im
Hohlrad.
- Zs
- ist die Anzahl der
Zähne im
Sternzahn.
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Für einen
einfachen Aufbau des Getriebes ist es vorteilhaft, alle Elemente
in einer Ebene anzuordnen. Um dies zu ermöglichen, wird die Zähnezahl
am Sternzahn 1 reduziert. Hat z. B. das Hohlrad 81 Zähne, der
Sternzahn 80 Zähne,
so ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von
i = 1/81. Damit die Stege 3a und die Abstützkontur 1c am
Sternzahn 1 in einer Ebene liegen, wird vorgeschlagen,
beim Sternzahn 1 z. B. nur jeden 4ten Zahn auszugestalten.
Der dadurch freiwerdende Raum kann dann von den Stegen 3a besetzt
werden.
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Zur
Realisierung von Spielfreiheit kann der Sternzahn 1 mit
einem Übermaß verbaut
werden. Ähnlich
wie bei einer Preßpassung
für einen
Bolzen in einer Bohrung, bei der der Bolzen ein größeres Maß hat als
die Bohrung, kann auch der Sternzahn 1 größer sein
als der zu Verfügung
stehende Raum.
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Die
Maße der
einzelnen Bauteile: Hohlradverzahnung 4a, Stegkontur 3b und
Sternzahn 1 sind hierzu in der Art abzustimmen, dass ein Übermass entsteht.
In diesem Fall verbiegen sich, mit der Montage des Sternzahns 1 in
das Getriebe, die Balkenelemente 1a geringfügig, so
dass trotz Übermass
eine Montage möglich
ist. Alle Getriebeelemente werden dann vom Sternzahn 1 verspannt,
so daß das
Getriebe zwischen Exzenterwelle 2, Abtriebselement 4 und Gehäuse 3 spielfrei
ist. Die beschriebene Vorgehensweise würde bei herkömmlichen
Getrieben zu sehr großen
inneren Kräften
führen,
die entweder eine Montage unmöglich
machen oder die einen sehr schwergängigen und ungleichmäßigen Getriebelauf verursachen.
Bei dem erfindungsgemäßen Getriebe führen die
Federeigenschaften der Balkenelemente am Sternzahn 1 dazu,
daß die
inneren Kräfte
gering bleiben. Über
die Abmaße
der Balkenelemente 1a sind die inneren Kräfte auslegbar.
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Die
vom Getriebe maximal übertragbaren Momente
werden durch die Biegespannungen in den Balkenelementen 1a begrenzt.
Um dieses Moment zu erhöhen,
können
die Balkenelemente 1a entgegengesetzt zur Belastung durch
das Betriebsmoment vorgespannt werden. 5 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
auf ein Balkenelement 1a. Hier ist das Balkenelement 1a um
den Wert x vorgespannt. Diese Biegung verursacht am Balkenfuß 1d eine
Biegespannung. Die durch das vom Getriebe zu übertragende Moment erzeugten
Biegespannungen am Balkenfuß 1d sind
in ihrer Richtung entgegengesetzt, so dass sich durch die Vorspannung
die Belastungsgrenzen des Getriebes erhöhen.
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Der
vorgespannte, sich biegende Balkenzahn muß bei der Auslegung der gesamten
Getriebegeometrie berücksichtigt
werden. Durch das sich biegende Balkenelement 1a hat das
Getriebe quasi mehr Einzelteile, die sich zueinander bewegen. Das Balkenelement 1a bewegt
sich wie ein Biegebalken. 6 zeigt
die Position der Momentanpole (A, B, C, D, E und F) und der Momentanpolbahn
I zwischen Hohlradverzahnung 4a und Balkenelement K. Zur einfacheren
Beschreibung der Zusammenhänge
ist das sich biegende Balkenelement 1a durch ein starres
Balkenelement K ersetzt worden, welches an der Sternzahnnabe J mit
einem Drehgelenk D gekoppelt ist. Bedingt durch die geringen Auslenkungen
X ist diese Vereinfachung zur Veranschaulichung der Zusammenhänge zulässig.
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Die
einzelnen Momentanpole ergeben sich wie folgt: Die Exzenterwelle
L hat im Punkt A ihren Momentanpol mit dem Gehäuse. Der Punkt B ist der Momentanpol
zwischen der Sternzahnnabe J und der Exzenterwelle L. Der Momentanpol
zwischen Sternzahnnabe J und dem Gehäuse M befindet sich auf der
Geraden a und liegt im Unendlichen. Der Punkt D ist der Momentanpol
zwischen dem Balkenelement K und der Sternzahnnabe J. Die Gerade
d verläuft
vom Punkt D zum Momentanpol zwischen Sternzahnnabe J und dem Gehäuse M, dieser
Punkt liegt im Unendlichen, aus diesem Grunde ist die Gerade d eine
Parallele zur Geraden a. Die Geraden a und d schneiden sich im Momentanpol
zwischen Sternzahnnabe J und dem Gehäuse M, also im Unendlichen.
Der Punkt H ist der Kontaktpunkt des Balkenelementes K mit dem Gehäuse M bzw.
mit der Stegkontur 3b.
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Die
Gerade e ist eine Normale zur Abstützkontur 1b durch
den Punkt H.. Der Punkt H ist der Berührungspunkt zwischen der Abstützkontur 1b des Balkenelementes
K und der Stegkontur 3b. Der Momentanpol F ist der Momentanpol
zwischen dem Balkenelement K und dem Gehäuse 3, und dieser
liegt auf der Geraden e. Der Momentanpol F muss aber auch auf der
Geraden d liegen, woraus folgt, dass der Schnittpunkt zwischen der
Geraden e und der Geraden d, den Momentanpol F darstellt. Die Gerade
b verläuft
zwischen den Momentanpol F und dem Punkt A. Der Punkt A ist der
Momentanpol zwischen der Hohlradverzahnung 4a und dem Gehäuse 3.
Der Momentanpol E, zwischen Balkenelement K und der Hohlradverzahnung 4a muss
auf der Geraden b liegen, und wird gebildet vom Schnittpunkt der
Geraden f mit der Geraden b. Die Gerade f ist eine Normale auf der
Zahnkontur 1b und läuft
durch den Punkt G, welcher der Berührungspunkt zwischen der Zahnkontur 1b auf
dem Balkenelement K und der Hohlradzahnkontur 4b auf der
Hohlradverzahnung 4a ist.
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Die
Gerade c verbindet die Momentanpole D und B. Der Schnittpunkt zwischen
der Geraden b und der Geraden c stellt den Momentanpol C dar. Der Punkt
C ist der Momentanpol zwischen dem Balkenelement K und der Sternzahnnabe
J.
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Die Übersetzung
i lässt
sich durch die Abstände
zwischen den Momentanpolen A, C, E und F auf der Geraden b beschreiben.
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Bei
Drehung der Exzenterwelle 2 nimmt der Momentanpol E weitere
Positionen auf der Momentanpolbahn I ein. Die Momentanpolbahn I
ist nahezu eine gerade Linie, die relativ günstig zu den Berührungspunkten
G liegt. Aufgrund dieses Umstandes können die Zahnkontur 1b am
Balkenelement K und die Hohlradzahnkontur 4b der Hohlradverzahnung 4a relativ
große
Krümmungsradien
aufweisen. Außerdem
können
dadurch viele Balkenelemente gleichzeitig im Kontakt mit der Hohlradverzahnung 4a stehen.
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Die
günstige
Lage der Momentanpolbahn I steht in unmittelbaren Zusammenhang mit
dem sich biegenden Balkenzahn.
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Wäre das Balkenelement
K biegestarr mit der Sternzahnnabe J verbunden, dann würde sich
die Gerade e als eine Parallele zur Geraden a darstellen. Der Momentanpol
F befände
sich im Unendlichen und die Gerade b währe eins mit der Geraden a.
Die Strecken zwischen den Punkten A–F, und den Punkten C–F wären unendlich
lang.
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Die Übersetzung
i ergibt sich in diesem Fall wie folgt:
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Die
Strecke A–C
ist in diesem Fall die Exzentrizität der Exzenterwelle, also eine
konstante Größe. Dadurch
muss bei konstanter Übersetzung
auch die Strecke A–E
eine konstante Größe sein.
Die Momentanpolbahn I wird dann zu einem Kreis um den Punkt A. In
diesem Fall wären
die Krümmungsradien
an den Zahnkonturen 1b und 4b wesentlich kleiner,
und auch die Anzahl der sich gleichzeitig im Kontakt mit der Hohlradverzahnung 4a befindlichen
Balkenelemente K wäre
geringer.
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Der
sich biegende Balkenzahn verbessert also wesentliche Geometriegrößen des
Getriebes.
