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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Kleingetriebe mit hoher Übersetzung für hohe und höchste Drehzahlen und einen Antrieb mit einem schnell drehenden Motor, wie einem Elektromotor, und einem solchen Getriebe.
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Dabei werden unter schnell drehenden Motoren insbesondere Elektromotoren verstanden, die mit 100.000 und mehr U/min. drehen, insbesondere ultrahochdrehende, die mehr als 150.000 U/min und bis zu 1.000.000 U/min oder mehr schaffen. Ein Einsatz mit alternativen Gasturbinen ist denkbar.
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Solche ultrahochdrehenden Elektromotoren werden derzeit von der Celeroton AG angeboten. Die Celeroton AG entwickelt und produziert ultrahochdrehende elektrische Antriebssysteme, wobei permanentmagneterregte Motoren eingesetzt werden.
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Solche schnell laufenden oder ultrahochdrehenden Motoren sind als Klein- oder Mikromotoren, mit Nennleistungen unter 10 kW, meist auch unter 5 kW und für höchste Drehzahlen unter 1 kW, ausgeführt, größere Motoren können bisher wegen der damit verbundenen Fliehkräfte nicht bei diesen Drehzahlen laufen. Diese schnell laufenden und ultrahochdrehenden Motoren werden als Direktantriebe eingesetzt, z. B. Zerspantechnik, oder mit Umlenkgetrieben ohne größere Drehzahländerung, z. B. in der Dentalmedizin, wo derart hohe Drehzahlen gebraucht werden.
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Schnell laufende Getriebe mit der Aufgabe der Drehzahl- und Drehmomentwandlung werden derzeit bis ca. 200.000 U/min z. B. in der Prüftechnik, bei Zentrifugen oder im Turbinenbau eingesetzt. Diese Getriebe übertragen dabei stets größere Leistungen, im Bereich von mehreren kW bis MW. Diese Getriebe erfordern aufgrund der hohen Drehzahl insbesondere eine aufwändigere Konstruktion und präzisere Fertigung der Einzelkomponenten als Standardgetriebe. Diese aufwändigere Konstruktionsart wird bisher bei Kleingetrieben aus Kostengründen nicht angewandt. Die desweiteren aus schnelllaufenden Getrieben bekannte Lagerungsart mit hydrodynamischen Lagerstellen und Einspritzschmierung ist außerdem bei Kleingetrieben nicht sinnvoll einsetzbar und wird dort nicht eingesetzt.
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Aus dem Stand der Technik, etwa der
DE 10235280 A1 , der
DE 10318517 A1 und der
EP 1293705 A1 oder der
DE 1 500 541 , sind bereits hoch übersetzende Getriebearten zur Wandlung von Drehzahl und Drehmoment bekannt, die im Zusammenhang mit Antriebsmotoren verbaut werden. Allerdings sind diese als Planetengetriebe ausgebildeten Getriebe nicht geeignet, um Geschwindigkeiten, die durch eine Umdrehungszahl von mehr als 150.000 pro Minute resultieren, zu ertragen. Selbst solche Optimierungen zum selbsttätigen Lastausgleich zwischen den mehrfach umliegenden Planentenrädern, wie sie in der
DE 897500 oder der
DE 1922417 offenbart sind, sind nicht geeignet, um für sich genommen bei solch hochdrehenden Elektromotoren eingesetzt zu werden.
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Aus der
DE 1 149 958 A ist grundsätzlich bereits ein Getriebe mit einer leistungsverzweigten Stirnradstufe bekannt, wobei Zentralräder ungelagert zwischen den Gegenrädern laufen. Ähnliche Getriebeausgestaltungen sind auch aus der
DE 197 36 549 C2 und der
DE 10 2004 051 306 B4 bekannt. Diese Ausführungen sind ebenfalls für ultrahochdrehende Anwendungen wegen der Lagerungs- und Schmierungsarten der umliegenden Wellen nicht geeignet.
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Eine gelenkige Anordnung zur Realisierung des so genannten Stöckicht-Prinzips für einen selbsttätigen Lastausgleich zwischen verzahnten Komponenten ist aus dem Großgetriebebau bekannt, wie etwa aus der
US 5 085 093 und der
EP 0 459 352 B1 , was für ultrahochdrehende Getriebe ebenfalls verlängerte Lebensdauer bringt. Die Lagerungsart der umliegenden Gegenräder auf Lagerbolzen verhindert dabei wiederum einen Einsatz bei ultrahohen Drehzahlen.
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Die Verwendung von Getrieben bei Elektromotoren in entsprechenden Antrieben ist aus der
DE 202 09 356 U1 , der
DE 10 2007 002 949 B4 und der
US 6 796 921 B1 grundsätzlich bekannt. Allerdings werden hier nur relativ geringe Drehzahlen gewandelt, die Anwendung der beschriebenen Getriebe bei ultrahohen Drehzahlen ist aufgrund der Lagerungsarten nicht möglich.
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Durch die Lehren aus den Druckschriften
DE 10 2007 062 010 A1 und
DE 10 2006 051 510 A1 sind Getriebeanwendungen an ultrahochdrehenden Antrieben bekannt. Die dabei eingesetzte Getriebe dienen jedoch nicht dazu, die Drehzahl wesentlich zu reduzieren und das ausgehende Drehmoment zu steigern, sondern vorwiegend zur Richtungsänderung der Drehbewegung.
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Bisher werden ultrahochdrehende Antriebe nicht mit Getrieben zum Zweck der Drehzahländerung verwendet, da keine ausreichende Standfestigkeit entsprechender Getriebe vorliegt. Die Antriebe werden dann als Direktantrieb oder als in der Richtung geänderter, aber in Drehzahl und Drehmoment nur unwesentlich gewandelter Antrieb, Übersetzungsverhältnis kleiner als 10, genutzt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem mit einer besonders hohen Leistung bezogen auf den Bauraum oder das Gewicht zum Einsatz bei mittleren oder niedrigen Drehzahlen für den Bereich kleiner Nennleistungen bis zu 10 kW zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein ultrahochdrehender Antrieb mit einem Getriebe zur Reduzierung der Drehzahl und gleichzeitigen Steigerung des Drehmoments kombiniert wird. Dazu wird das Getriebe an die besonderen Anforderungen für ultrahohe Eingangsdrehzahlen angepasst. Entscheidend hierfür ist jeweils die Zahnradstufe mit der höchsten Drehzahl, bei Reduziergetrieben üblicherweise die erste Getriebestufe. Um die Zentripetalkräfte im Getriebe möglichst gering zu halten, wird eine möglichst kompakte Bauform der Getriebestufe mit der höchsten Drehzahl angestrebt. Das Getriebe weist daher Zahnräder mit einem Verzahnungsmodul von ≤1 mm auf, deren jeweiliger Zahnraddurchmesser ≤50 mm ist, wobei das Getriebe durch eine angepasste Wahl von Werkstoffpaarungen und Fertigungsverfahren zur Herabsetzung von Drehzahlen von über 150.000 U/min auf niedrigere Werte, insbesondere auf Werte von unter 50.000 U/min oder sogar unter 10.000 U/min ausgelegt ist.
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Unter dem Verzahnungsmodul wird hier das kleinste Verzahnungsmodul verstanden, das in dem Getriebe vorliegt. Durch eine erfindungsgemäße Antriebskonfiguration werden Antriebe mit einer hohen Leistungsdichte in unterschiedlichsten Anwendungen einsetzbar, insbesondere auch dort, wo keine hohen Drehzahlen erforderlich sind oder eingesetzt werden können, wie etwa als Stellantriebe für Fensterheber in PKW, elektrische Sitzverstellungen, Nachführmotoren für Solaranlagen, Sonnenschutzantriebe.
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Bisher werden Gleitlagerungen bei schnelllaufenden Getrieben eingesetzt, wobei durch die Miniaturisierung nun auch Wälzlager eingesetzt werden können. Bisher wird bei schnelllaufenden Getrieben eine aktive Einspritzschmierung verwendet. Durch die Miniaturisierung kann auf die aktive Einspritzung verzichtet werden, weil die Umfangsgeschwindigkeiten entsprechend kleiner sind. Die erste Stufe des Getriebes ist leistungsverzweigt, ohne Hohlrad.
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Vorteilhafte Ausführungsformen werden auch in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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So ist es von Vorteil, wenn der Umfang des Getriebes ≤40 mm beträgt.
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Auch ist es von Vorteil, wenn das Getriebe ein Planetengetriebe oder eine leistungsverzweigte Stirnradstufe aufweist, wobei diese leistungsverzweigte Stirnradstufe vorteilhafterweise in der schnellsten Stufe zum Einsatz kommt. Gerade solche Getriebearten sind für hohe Drehzahlen gut geeignet und bauen besonders kompakt.
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Um den Verschleiß im Antrieb, besonders im Getriebe, besonders gering zu halten, ist es von Vorteil, wenn ein Sonnenrad umfasst ist, das mit den Kupplungselementen an einer Welle so angebunden ist, oder die Welle so elastisch ausgebildet ist, dass eine verkippungsfreie radiale Bewegung des Sonnenrades relativ zur Welle möglich ist.
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Schwingungen lassen sich auch dann besonders gut ausschalten, wenn das Sonnenrad von Planetenrädern umgeben ist, die mittels hydrostatischen oder aerostatischen Lagern gelagert sind. Dabei ist es hilfreich, wenn zumindest eines der Lager ein hydrostatisches oder ein aerostatisches Lager ist. Zusätzlich oder alternativ lasen sich auch Gleitlager oder Wälzlager einsetzen.
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Wenn die mindestens zu dritt verbauten Planetenräder feststehend oder umlaufend angeordnet sind, so lässt sich ein dazwischen angeordnetes Sonnenrad radiallagerungsfrei aufnehmen.
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Auch ist es von Vorteil, wenn mindestens eine Verbindung von rotierenden Komponenten durch ein weiches, sich aufgrund der im Betrieb des Getriebes vorliegenden Zentripetalkraft selbst anpassendes Kunststoffbauteil erreicht ist. Durch den Einsatz von Kunststoffbauteilen lassen sich die Kosten reduzieren und die auftretenden elastischen Verbindungen vorteilhaft nutzen.
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Die Lebensdauer wird auch weiter erhöht, wenn zwischen den Planetenrädern Zahnräder angeordnet sind, die radial nicht oder nur einseitig gelagert sind. Ferner lässt sich eine Radiallagerung der Zahnräder vereinfachen.
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Wenn die Oberflächen der Zahnräder spanend bearbeitet sind, etwa schleifend, drahterodiert oder funkenerodiert sind, so wird die für die hohen Drehzahlen nötige Präzision ermöglicht, weil die Toleranzen bei der Fertigung für die Zahnteilung minimiert werden.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn das Verzahnungsmodul ≤0,5 mm beträgt und Drehzahlen zwischen 300.000 Umdrehungen bis 1.000.000 Umdrehungen, und selbst darüber hinaus, wandelbar sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend auch mit Hilfe von Zeichnungen näher erläutert.
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So zeigen die Zeichnungen in
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1 einen Querschnitt durch ein Getriebe eines erfindungsgemäßen Antriebes und
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2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II aus 1.
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In den Figuren werden für die gleichen Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung.
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In den Figuren sind jeweils nur zwei Getriebestufen dargestellt, mit denen alleine sich die Eingangsdrehzahl nur begrenzt reduzieren lässt. Durch den Anschluss weiterer Getriebestufen, die gleichgeartet wie die ersten beiden ausgeführt sein können oder aber aufgrund der geringeren Drehzahlen auch anders oder einfacher aufgebaut sein können, lässt sich die Drehzahl bis zu beliebigen Werten reduzieren.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebes dargestellt, der ein Getriebe 1 aufweist. Das Getriebe 1 hat einen Umfang von ≤40 mm und vorzugsweise einen Umfang von ≤ ca. 35 mm. Es ist auch möglich das Getriebe so auszubilden, dass der Außenumfang ≤20 mm beträgt. Das Getriebe weist eine Eingangswelle 2 auf, über welche eine Eingangsdrehzahl dem Getriebe zugeführt wird. Die Eingangswelle 2 ist mit der Rotorwelle 9 des Antriebs verbunden. Über eine Ausgangwelle 3 wird vom Getriebe eine geringere Drehzahl abgeführt.
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Über die Eingangswelle 2 wird eine Drehzahl von ≥ ca. 150.000 Umdrehungen zugeführt. Insbesondere werden Drehzahlen bis zu 1.000.000 Umdrehungen und sogar mehr zugeführt.
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Über die Ausgangswelle 3 werden wesentlich geringere Drehzahlen, als über die Eingangswelle 2 zugeführt werden, abgeführt. Insbesondere beträgt das Übersetzungsverhältnis von Eingangswelle 9 zu Ausgangswelle 3 mehr als 10.
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Das Getriebe weist eine leistungsverzweigte Stirnradstufe auf. Es weist mehrere Zahnräder auf. Die Zahnräder sind mit dem Bezugszeichen 4 versehen. Es ist nicht zwingend, dass eine leistungsverweigte Stirnradstufe verwendet wird. Auch andere Getriebearten sind plausibel. Alternativ zur leistungsverzweigten Stirnradstufe bieten sich insbesondere Planetengetriebe an.
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Mit der Eingangswelle 2 ist ein Sonnenrad 5 verbunden. Das Sonnenrad 5 steht in form- oder reibschlüssigen Wirkzusammenhang mit drei oder mehreren Gegenrädern 6. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind drei Gegenräder verwendet. Es sind jedoch auch mehr als drei als Gegenräder 6 bezeichnete Stirnräder verwendbar.
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Die Ausgangswelle 3 ist ebenfalls mit einem Zahnrad 12 verbunden. Ein Drehmoment wird über eine Zwischenwelle 7 auf das mit der Ausgangswelle 3 verbundene Zahnrad 12 übertragen. Im Ausführungsbeispiel ist das Zahnrad 12 als weiteres Sonnenrad einteilig mit der Ausgangswelle 3 dargestellt. Die Zwischenwelle 7 ist über Lager 8 gelagert. Dabei sind vorzugsweise für die dort auftretenden hohen Drehzahlen geeigneten Wälzlager oder auch bspw. hydrostatische oder aerostatische Lager einsetzbar. Auch herkömmliche Gleitlager lassen sich einsetzen.
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Die Rotorwelle 9 ist über die Eingangswelle 2 mit dem Sonnenrad 5 verbunden. Zwischen der Rotorwelle 9 des Antriebs und der Eingangswelle 2 ist eine biegeweiche Verbindung, z. B. nach Art einer Zahnkupplung 10 vorgehalten. Eine ebensolche Verbindung ist auch zwischen der Eingangswelle 2 und dem Sonnenrad 5 vorgesehen. Alternativ ist es möglich, dass die Rotorwelle 9 und/oder die Eingangswelle 2 biegeweich ausgestaltet ist/sind. Auf diese Weise wird eine gewisse Radialbewegung des Sonnenrades 5 zur besseren Anlage der auf der Außenseite des Sonnenrades 5 vorhandenen Evolventen an die Evolventen der Gegenräder 6 ermöglicht.
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Die die Verzahnung aufweisenden Oberflächen 11, wie sie in 2 dargestellt sind, sind über spanende Verfahren, etwa Schleifverfahren, oder Erodierverfahren, wie Funkenerodierverfahren hergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebe
- 2
- Eingangswelle
- 3
- Ausgangwelle
- 4
- Zahnräder
- 5
- Sonnenrad
- 6
- Gegenrad
- 7
- Zwischenwelle
- 8
- Lager
- 9
- Rotorwelle des Antriebs
- 10
- Zahnkupplung
- 11
- Oberfläche
- 12
- Sonnenrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10235280 A1 [0006]
- DE 10318517 A1 [0006]
- EP 1293705 A1 [0006]
- DE 1500541 [0006]
- DE 897500 [0006]
- DE 1922417 [0006]
- DE 1149958 A [0007]
- DE 19736549 C2 [0007]
- DE 102004051306 B4 [0007]
- US 5085093 [0008]
- EP 0459352 B1 [0008]
- DE 20209356 U1 [0009]
- DE 102007002949 B4 [0009]
- US 6796921 B1 [0009]
- DE 102007062010 A1 [0010]
- DE 102006051510 A1 [0010]
