DE102011108473A1 - Planetengetriebe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Planetengetriebe mit zwei koaxialen Hohlrädern die unterschiedliche Zähnezahlen ihrer Innenverzahnung aufweisen, ferner mit beiden Hohlrädern kämmenden Planetenradpaaren p1, p2, die an einem gemeinsamen, drehbar gelagerten Planetenradträger angeordnet sind, wobei die Differenz der Zähnezahlen der Innenverzahnungen der Hohlräder der Anzahl an eingesetzten Planetenradpaaren oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht. Zur Schaffung einer fertigungstechnisch günstigen, Toleranz unempfindlichen Konstruktion wird vorgeschlagen, dass die Planetenradpaare (16) eine durchgehende Verzahnungsgeometrie aufweisen, die von einem Werkzeug in einer Aufspannung herstellbar ist. Zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades werden die Zahnpaarungen zp1/zH1 und zp2/zH2 so ausgelegt, dass bei beiden Verzahnungen die Wälzpunkte ungefähr in der Mitte der Eingriffsstrecke liegen.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft Planetengetriebe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Derartige Planetengetriebe sind als Plusgetriebe bekannt und zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau aus. Sie sind auch Bestandteil von Koppelgetrieben wie z. B. dem bekanntesten reduzierten Koppelgetriebe dem Wolfromgetriebe. Wolfromgetriebe entsprechen zwei gekoppelten Planetengetrieben, wobei eins ein Plusgetriebe oben genannter Bauart ist. Durch Reduktion auf einen gemeinsamen Steg und ein Sonnenrad (s. Müller „Die Umlaufgetriebe" Aufl. 2, S. 191 und
3 ) entsteht das Wolfromgetriebe durch Addition nur eines Zahnrads (!) – dem Sonnenrad – in ein Plusgetriebe mit zwei Hohlrädern mit Innenverzahnungen. Durch den gemeinsamen Planetenradträger (auch Steg genannt) bauen sie besonders kompakt und können sehr große Übersetzungsverhältnisse mit wenigen Zahnrädern erreichen. Das Übersetzungsverhältnis bestimmt sich u. a. durch die unterschiedlichen Zähnezahlen der Planetenradpaare, sowie aus den Zähnezahlen der beiden Hohlräder. Die Differenz der Zähnezahlen der Innenverzahnungen der Hohlräder entspricht dabei funktionsbedingt (Montagebedingung) der Anzahl der eingesetzten Planetenradpaare oder einem Vielfachen. Die jeweils zwei Planetenräder unterschiedlicher Verzahnung eines Planetenradpaares müssen exakt zueinander gefügt werden, damit die beiden Hohlräder zentrisch zueinander laufen. - Unterscheiden sich die drei oder mehr Planetenradpaare untereinander in der Winkelzuordnung, so ergibt sich ein ungewollter Versatz an den Hohlrädern. Dies kann zu erhöhten Lagerkräften und Verschleiß führen und ggf. den Wirkungsgrad des Getriebes nachteilig beeinflussen.
- Aufgabe der Erfindung ist es, das Planetengetriebe der gattungsgemäßen Art fertigungstechnisch einfacher und Toleranz unempfindlicher auszubilden, wobei Desachsierungen der Hohlräder zueinander weitgehendst ausgeschlossen sein sollen.
- Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie eine bevorzugte Verwendung des Planetengetriebes sind in den weiteren Patentansprüchen angeführt.
- Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Planetenradpaare jeweils einstückig und mit einer durchgehenden Verzahnungsgeometrie hergestellt sind. Dies gelingt durch entsprechende Profilverschiebung der Innenverzahnungen der Hohlräder in Verbindung mit der Verzahnungsgeometrie des Planetenradpaares p1 und p2. Durch die einteilige Ausführung können die Planetenradpaare in einem Arbeitsgang bzw. in einer Aufspannung gefertigt werden, wodurch Fertigungstoleranzen, Winkelfehler oder Desachsierungen der beiden Planetenzahnräder zueinander ausgeschlossen sind und der Getriebewirkungsgrad verbessert ist. Die beiden Zahnräder zp1 und zp2 des Planetenpaares p1 und p2 haben die gleiche Zähnezahl zp und den gleichen Grundkreis, d. h. eine gleiche Evolvente.
- Dazu wird des Weiteren vorgeschlagen, dass der Kopfkreis da des Planeten p1 für den Eingriff mit der Innenverzahnung zh1 des Hohlrades anders ist als der Kopfkreis da des Planeten p2 für den Eingriff mit der Innenverzahnung zH2 des Hohlrades. Damit können in fertigungstechnisch besonders einfacher Weise unterschiedliche Betriebswälzkreise der Zahnpaarungen zp1/zH1 und zp2/zH2 ausgeglichen werden bzw. bei einer im Übrigen einheitlichen Verzahnungsgeometrie der Zahnräder zp1 und zp2 des Planetenradpaares deren erforderlicher Freigang sichergestellt werden. Der Grundkreis der Verzahnung der beiden Zahnräder zp1 und zp2 ist hingegen für beide Zahneingriffe gleich.
- Die unterschiedlichen Kopfkreise der Zahnräder zp1 und zp2 des Planetenradpaares können bevorzugt in einem ersten Arbeitsgang vorgedreht und danach die Verzahnung hergestellt sein. Alternativ dazu könnte jedoch erst die Verzahnung an den Planetenradpaaren hergestellt und anschließend die betreffenden Kopfkreisdurchmesser durch Abdrehen oder Schleifen zurückgesetzt werden.
- Durch unterschiedliche Betriebseingriffswinkel αW er Verzahnungen der Planetenradpaare mit den korrespondierenden Verzahnungen zH der Hohlräder können die Wälzpunkte beider Verzahnungen in vorteilhafter Weise etwa in der Mitte des jeweiligen Eingriffs liegen, was optimal für den Wirkungsgrad des Getriebes ist. Insbesondere wird dazu vorgeschlagen, dass bei einem Nennbetriebseingriffswinkel α von 20 Grad der Betriebseingriffswinkel αW bei der größeren Übersetzung i = zH1/zp1 kleiner ist als der Betriebseingriffswinkel αW bei der kleineren Übersetzung i = zH2/zp2.
- Die Verzahnungen können in an sich bekannter Weise als Geradverzahnungen oder als Schrägverzahnungen ausgeführt sein.
- Das Planetengetriebe kann als Plusgetriebe (
1 ) oder als einfaches Koppelgetriebe, wie z. B. das reduzierte Koppelgetriebe des Wolfromgetriebes (2 ) ausgeführt sein, bei dem das Sonnenrad unmittelbar mit einem der beiden Zahnräder zp1 oder zp2 des Planetenradpaares auf dem Planetenradträger trieblich zusammenwirkt. -
3 zeigt ein Planetengetriebe zur Erzielung noch größerer und kleinerer Übersetzungsverhältnisse. Hier kämmt das Sonnenrad50 mit einem weiteren, am Planetenradträger einzeln gelagerten Planetenrad60 , das mit einem weiteren Hohlrad (zH3)46 in Eingriff ist. Durch Vorgabe von Drehzahlen an diesem Hohlrad lässt sich die Übersetzung stufenlos verändern (Überlagerungsprinzip) - Eine besonders bevorzugte Verwendung des in
3 beschriebenen Planetenradgetriebes besteht an einer Windkraftanlage zur Stromerzeugung, wobei ein Hohlrad vom Rotor angetrieben wird und das Sonnenrad das auf einen Generator mittelbar oder unmittelbar abtreibende Element des Getriebes ist. Durch Überlagerung einer Drehzahl durch den Motor mit der Leistung PM auf das dritte Hohlrad zH3 kann die Drehzahl der Sonne zS konstant gehalten werden, obwohl die Antriebsdrehzahl des Rotors (Leistung PR), der mit dem Hohlrad zH1 verbunden ist, je nach Windstärke variiert. - Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
-
1 ein Plusgetriebe mit zwei Hohlräder mit Innenverzahnungen, die über ein einteilig ausgeführtes Planetenradpaar bestehend aus den Zahnrädern p1 und p2, das auf dem Planetenradträger (Steg s) gelagert ist, trieblich verbunden sind; -
2 ein erstes als Wolfrom-Getriebe ausgelegtes Planetenradgetriebe mit zwei Hohlrädern mit Innenverzahnungen, mehreren mit den Hohlrädern kämmenden, einteiligen Planetenradpaaren, die auf einem gemeinsamen Planetenradträger gelagert sind und mit einem abtreibenden Sonnenrad; -
3 ein Plusgetriebe kombiniert mit einem Minusgetriebe, die einen gemeinsamen Planetenträger besitzen, wobei über das Hohlrad zH3 eine Drehzahl durch eine weitere Maschine eingebracht wird, die dafür sorgt, dass die Abtriebsdrehzahl des Getriebes an der Sonne zS konstant ist, obwohl der Antrieb des Getriebes (verbunden mit dem Hohlrad zH1) variabel dreht. -
4 in vergrößerter Darstellung die Zahneingriffsverhältnisse zwischen dem ersten Hohlrad und dem korrespondierenden Planetenrad eines der Planetenradpaare; und -
5 in ebenfalls vergrößerter Darstellung die Zahneingriffsverhältnisse zwischen dem zweiten Hohlrad und dem korrespondierenden Planetenrad des Planetenradpaares nach4 . - In
1 ist das Blockschaltbild eines Plusgetriebes40 mit zwei Hohlrädern mit Innenverzahnungen dargestellt. Die beiden Planeten p1 (30 ) und p2 (32 ) sind drehfest miteinander verbunden und auf dem Planetenradträger (34 ) gelagert. Planetenrad p1 (30 ) kämmt mit dem ersten Hohlrad zH1 (36 ), Planetenrad p2 (32 ) kämmt mit dem Hohlrad zH2 (38 ). Bei festgehaltenem Planetenradträger (= Steg) ergibt sich die Übersetzung zwischen dem angetriebenen Hohlrad zH1 und dem Abtriebsrad zH2 als Standübersetzung zui12 = zH1/zp1·zp2/zH2 - Diese Getriebe können durch entsprechende Wahl der Zähnezahlen mit nur vier unterschiedlichen Zahnrädern Übersetzungen von i > 100 erreichen. Mit akzeptablen Wirkungsgraden könnten diese Getriebe bei einer Vielzahl von Applikationen bei elektromechanischen Stellantrieben eingesetzt werden, bei denen langsame Abtriebsbewegungen benötigt werden:
- a) Automobil:
- – Scheibenwischer
- – Sitzverstellung
- – Klappen- und Türenbetätigungen
- – Fensterheber
- b) Industrie:
- – Rolltreppen
- – Aufzüge
- – Windenergieanlagen
- Sind die Zähnezahlen der Zahnräder p1 und p2 gleich (zp1 = zp2 = zp) so ergibt sich ein Planetenrad, das keine Toleranzen in der Zuordnung der beiden Planetenräder p1 und p2 hat (wie bei einem Stufenplaneten). Bei Stufenplaneten ist die Winkelzuordnung der beiden Zahnräder aus Fertigungsgründen immer mit Toleranzen versehen, die eine ungleiche Lastverteilung und eine Desachsierung der beiden Hohlräder zur Folge haben, was unerwünscht ist. Hier ergibt sich die Standübersetzung aus
i12 = zH1/zH2 - In der
2 ist als Blockschaltbild ein erstes nach dem Wolfrom–Prinzip aufgebautes Planetenradgetriebe10 dargestellt, das sich im Wesentlichen zusammensetzt aus einem antreibenden Hohlrad12 , einem in dem nur angedeuteten Getriebegehäuse13 drehbar gelagerten Planetenradträger14 mit mehreren am Umfang angeordneten, daran drehbar gelagerten Planetenradpaaren16 (in der Zeichnung ist nur ein Planetenradpaar16 dargestellt), einem zweiten, koaxial angeordneten, gehäusefesten Hohlrad18 und einem auf eine Ausgangswelle20 abtreibenden Sonnenrad22 . - Das Planetengetriebe
10 setzt sich somit als Koppelgetriebe aus zwei Teilgetrieben zusammen, die über den gemeinsamen Planetenradträger14 getriebetechnisch miteinander verknüpft sind und mit wenigen Zahnrädern hohe Drehmomente bei einem großen Übersetzungsverhältnis von z. B. i ≈ 100 übertragen können. Die übertragbare Antriebsleistung bestimmt sich u. a. auch aus der Anzahl der an dem Planetenradträger14 angeordneten Planetenradpaare, mit üblicherweise drei umfangsverteilten Planetenradpaaren16 . - Die Planetenradpaare
16 teilen sich funktionell jeweils in zwei Planetenräder p1 und p2 auf, wobei p2 mit der Innenverzahnung zH2 des Hohlrades12 und p1 mit der Innenverzahnung zH1 des feststehenden Hohlrades18 in Eingriff ist. - Die Innenverzahnungen zH2, zH1 der Hohlräder
12 ,18 weisen um eine der Anzahl der Planetenradpaare16 entsprechende Differenz unterschiedliche Zähnezahlen auf. - Die mit diesen Verzahnungen zH2, zH1 kämmenden Planetenradpaare
16 können mit einer einheitlichen, modifizierten Verzahnungsgeometrie versehen (wird nachstehend anhand der4 und5 näher erläutert) und in einem einheitlichen Arbeitsgang mit gleicher Zähnezahl hergestellt. Die Planetenradpaare16 bilden in diesem Fall somit quasi durchgehende Planetenräder p, die nur funktionell aufgeteilt sind und mit den durch Profilverschiebungen angepassten Innenverzahnungen zH1, zH2 der Hohlräder12 ,18 bei einem unterschiedlichen Übersetzungsverhältnis in Eingriff sind. - Das Planetenrad p1 des Planetenradpaares
16 kämmt ferner mit dem zentrisch gelagerten Sonnenrad22 des Planetenradgetriebes10 . - Die
3 zeigt ein weiteres, wirkungsgleiches Planetengetriebe24 , das einer Abwandlung des Wolfromgetriebes aus2 entspricht. Nach Müller „Die Umlaufgetriebe 2. Aufl. S. 191", ergibt sich das reduzierte, wirkungsgleiche Koppelgetriebe (als Wolfromgetriebe bekannt) aus der Kombination aus einem Plusgetriebe (siehe1 ) und einem Minusgetriebe. Trennt man die Hohlräder 1'' und 2 (aus Bild 4.28c aus Müller S. 191) auf, so erhält man3 . Hier treibt das Hohlrad (zH1)41 an, das zweite Hohlrad (zH2)42 ist fest mit dem Gehäuse verbunden. Das Planetenradpaar44 kämmt mit dem Planeten52 mit dem Hohlrad41 , der Planet54 mit dem feststehenden Hohlrad42 . Der gemeinsame Planetenträger48 für das Plusgetriebe56 und das Minusgetriebe58 verbindet die beiden Planetengetriebe. Das auf diesem Planetenträger gelagerte Planetenrad60 kämmt mit dem Hohlrad (zH3)46 und dem mit der Abtriebswelle verbundenen Sonnenrad50 . Das Hohlrad46 wird über ein Stirnrad52 durch die Maschine PM angetrieben. Mit der variablen Drehzahl des Antriebsritzels52 wird eine Überlagerung möglich, die die Gesamtübersetzung des Getriebes (Antrieb bei41 , Abtrieb bei50 ) verändern kann. So kann durch diese Überlagerung erreicht werden, dass die Abtriebsdrehzahl des Sonnenrades50 unverändert ist, obwohl die Antriebsdrehzahl des Rades41 schwankt. - Die
4 und5 zeigen die jeweiligen Verzahnungsverhältnisse zwischen den einteiligen Planetenradpaaren16 bzw. den Planeten p2, p1 und den korrespondierenden Innenverzahnungen zH2, zH1 der Hohlräder12 ,18' . - Die angeführte Übersetzung des Plusgetriebes bzw. rechten Teilgetriebes der
3 (Wolfromgetriebe) mit i ≈ 20 ergibt sich nur aus den wie vorstehend angeführten unterschiedlichen Zähnezahlen der mit den Planetenradpaaren16 in Eingriff befindlichen Innenverzahnungen zH2 und zH1 bei einer einheitlichen Zähnezahl zp der Planetenräder p1 und p2. - Wenn aber die Hohlräder zH1, zH2 mit den Planetenrädern p2, p1 gleicher Zähnezahl zP kämmen, ergibt sich auch der gleiche Achsabstand. Dies wird mit entsprechender Profilverschiebung der Verzahnungen zH2, zH1 erreicht.
- Da sich für jede Zahnradstufe zp1 zu zH1 bzw. zp2 zu zH2 daraus andere Wälzkreise dW1 bzw. dW2 ergeben, wird dem dadurch Rechnung getragen, dass der Kopfkreis dap2 (
5 ) gegenüber dem Kopfkreis dap1 (4 ) entsprechend zurückgesetzt ist. - Das heißt, die Planetenradpaare
16 haben zwei verschiedene Kopfkreise dap1 und dap2. Dabei wird die Verzahnung der Planetenradpaare16 aber mit einem einheitlichen Verzahnungsprofil hergestellt, wobei der zurückgesetzte Kopfkreis dap2 durch Vordrehen des Planetenradpaar-Rohlings oder nachträglich durch Abschleifen oder Abdrehen der entsprechenden Zahnköpfe der Verzahnung zp2 hergestellt wird. - Wie aus den
4 und5 ersichtlich ist, ergeben sich für die Zahnradpaarungen zp1 mit zH1 bzw. zp2 mit zH2 unterschiedliche Eingriffswinkel α von > 20 Grad bzw. < 20 Grad. Dabei hat die größere Übersetzung i1 = zH1/zp1 den kleineren Wälzkreis und einen Betriebseingriffswinkel αW < 20 Grad (Nenneingriffswinkel 20 Grad), während die kleinere Übersetzung i2 = zH2/zp2 den größeren Betriebseingriffswinkel αW > 20 Grad aufweist. Für das Hohlrad mit der größeren Zähnezahl ergibt sich dadurch einkleinerer Kopfkreis daH2 als für das Hohlrad mit der kleineren Zähnezahl. Bei beiden Verzahnungen liegt der Wälzpunkt bei dieser Auslegung auf der Mitte der jeweiligen Eingriffsstrecke, wodurch die Gleitanteile bzw. daraus resultierende Reibungsverluste minimiert sind und insgesamt ein sehr guter Standwirkungsgrad erreicht wird, der bisher in der Literatur bei Plusgetrieben noch nicht erreicht wurde. - Die Verzahnungen z der beschriebenen Planetengetriebe
10 bzw.24 können in an sich bekannter Weise als Geradverzahnungen oder als Schrägverzahnungen ausgeführt sein. - Da die Planetenräder p1, p2 ferner gleiche Grundkreise aufweisen, ist die Evolvente für beide Zahneingriffe die gleiche und kann damit mit einem Verzahnungswerkzeug und in einem Arbeitsgang hergestellt werden.
- 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 Nicht-Patentliteratur
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- Müller „Die Umlaufgetriebe” Aufl. 2, S. 191 [0002]
- Müller „Die Umlaufgetriebe 2. Aufl. S. 191” [0029]
- aus Bild 4.28c aus Müller S. 191 [0029]
Claims (11)
- Planetengetriebe mit zwei koaxialen Hohlrädern die unterschiedliche Zähnezahlen ihrer Innenverzahnung aufweisen, ferner mit beiden Hohlrädern kämmenden Planetenräder p1, p2 eines Planetenradpaares, die an einem gemeinsamen, drehbar gelagerten Planetenradträger angeordnet sind wobei die Differenz der Zähnezahlen der Hohlräder der Anzahl an eingesetzten Planetenradpaaren oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenradpaare (
16 ) jeweils einstückig und mit einer durchgehenden Verzahnungsgeometrie hergestellt sind, d. h. zp1 = zp2 = zp. - Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfkreis dap1 des Planeten p1 für den Eingriff mit der Innenverzahnung zH1 des Hohlrades (
18 ) anders ist als der Kopfkreis dap2 des Planeten p2 für den Eingriff mit der Innenverzahnung zH2 des Hohlrades (12 ). - Planetengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkreis der Verzahnung der Planetenräder p1 und p2 (
16 ) für beide Zahneingriffe (zp1, = zp2 = zp) gleich ist. - Planetengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Kopfkreise (da) der Planetenräder (
16 ) in einem ersten Arbeitsgang vorgedreht und danach die einheitliche Verzahnung (zp1, zp2) hergestellt wird. - Planetengetriebe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch unterschiedliche Betriebseingriffswinkel αW der Verzahnungen (zp1, Zp2) der Planetenräder (
16 ) mit den korrespondierenden Hohlrädern (18 ,12 ) die Wälzpunkte beider Verzahnungen (zp1, zp2) etwa in der Mitte des jeweiligen Eingriffs liegen. - Planetengetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Nennbetriebseingriffswinkel α von 20 Grad der Betriebseingriffswinkel αW bei der größeren Übersetzung i = zH1/zp1 kleiner ist als der Betriebseingriffswinkel αW bei der kleineren Übersetzung i = zH2/zp2.
- Planetengetriebe nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Kopf- und Fußkreise der Hohlräder mit Innenverzahnungen für die größere Übersetzung i1 = zH1/zp1 kleiner sind als die Kopf- und Fußkreise der Zahnradpaarung zH2/zp2 mit der größeren Übersetzung.
- Planetengetriebe nach Anspruch 6 dadurch g Planetengetriebe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungen z als Geradverzahnungen oder als Schrägverzahnungen ausgeführt sind.
- Planetengetriebe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (
22 ) eines Wolfromgetriebes unmittelbar mit den Planetenrädern (16 ) zp1 oder zp2 des Planetenradträgers (14 ) trieblich zusammenwirkt - Planetengetriebe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (
50 ) mit weiteren, am Planetenradträger (48 ) einzeln gelagerten Planetenrädern (60 ) kämmt, die mit einer weiteren Innenverzahnung (ZH3) des Hohlrades (46 ) in Eingriff sind. - Verwendung eines Planetenradgetriebes (
10 ,24 ) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche an einer Windkraftanlage zur Stromerzeugung, wobei das Hohlrad (12 oder40 ) das vom Rotor angetriebene Element und das Sonnenrad (22 oder50 ) das auf einen Generator mittelbar oder unmittelbar abtreibende Element des Getriebes (10 ,24 ) ist.
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