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Die Erfindung beschreibt ein Getriebe mit mindestens zwei Untersetzungsstufen, mit einem Antriebszahnrad, einem Abtriebszahnrad und mit einem zweiteiligen Gehäuse mit einem Gehäusedeckel und einem Gehäusekörper.
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Ein zweiteiliges Getriebegehäuse besteht in der Regel aus einem Gehäusedeckel und einem Gehäusekörper. Der Gehäusedeckel wird beispielsweise durch Schraubverbindungen oder Rastverbindungen mit dem Gehäusekörper verbunden. Für viele Anwendungen, insbesondere im Automobilbereich, ist es notwendig, dass das Getriebe absolut dicht ist gegenüber Feuchtigkeit, Flüssigkeit, Schmutz und anderen Umwelteinflüssen. Daher ist eine aufwändige Abdichtung des Gehäusedeckels gegenüber dem Gehäusekörper notwendig. Die Abdichtung erfolgt dabei beispielsweise durch eine Gummidichtung, die zwischen Gehäusedeckel und Gehäuseköper angeordnet ist.
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Beim Verbinden der beiden Gehäuseteile wird die Dichtung komprimiert, wodurch die Dichtwirkung entsteht. Eine solche Abdichtung kann auf vielfältige Art und Weise ausfallen, beispielsweise durch Montagefehler oder Materialkorrosion, so dass die Dichtheit des Gehäuses nicht sicher gewährleistet ist. Durch Eindringen von Schmutz und/oder Flüssigkeit kann der Motor und/oder die Zahnräder zerstört werden.
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Gleichzeitig werden beispielsweise im Automobil viele Stellantriebe benötigt, die kompakt aufgebaut sind und dennoch sehr hohe Stellkräfte aufbringen müssen. Da kleine Antriebsmotoren keine hohen Drehmomente aufweisen, muss das Getriebe eine sehr hohe Untersetzung haben.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein kompaktes Getriebe, zum Beispiel für einen Stellantrieb, zu schaffen, das eine hohe Untersetzung aufweist und das ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Getriebe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Erfindungsgemäß sind die Untersetzungsstufen jeweils auf einer Ebene angeordnet. Jede Ebene ist durch ihren Abstand zum Gehäuseboden definiert, wobei alle Ebenen unterschiedliche Abstände aufweisen.
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Dies wird dadurch erreicht, dass die Zwischenzahnräder vorzugsweise jeweils als Doppelstirnzahnräder ausgebildet sind, wobei jeweils ein größeres Zahnrad mit mehr und ein kleineres Zahnrad mit weniger Zähnen übereinander auf einer Achse angeordnet sind. Jedes dieser einzelnen Zahnräder ist einer Ebene und damit einer Untersetzungsstufe zugeordnet. Erfindungsgemäß ist nun das Antriebszahnrad auf der obersten Ebene, mit dem größten Abstand zum Gehäuseboden angeordnet. Das Antriebszahnrad ist direkt auf der Welle eines Antriebsmotors angeordnet und somit als einfaches Stirnzahnrad ausgebildet.
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Das Abtriebszahnrad ist auf der untersten Ebene, mit dem geringsten Abstand zum Gehäuseboden angeordnet und ebenfalls als einfaches Stirnzahnrad ausgebildet.
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Alle Untersetzungsstufen sind vom Antriebszahnrad zum Abtriebszahnrad in kontinuierlich absteigenden Ebenen angeordnet.
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Das bedeutet, von der obersten Ebene zur untersten Ebene nimmt die Drehzahl kontinuierlich ab und das vorliegende Drehmoment nimmt zu.
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Die Achsen der Zahnräder sind beidseitig im Gehäusedeckel und im Gehäuseboden gelagert.
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Durch die Anordnung der Ebenen ist die Belastung des Gehäusedeckels geringer als die Belastung des Gehäusebodens. Aus diesem Grund kann der Gehäusedeckel aus einem Material mit geringer Festigkeit bestehen, während der Gehäusekörper aus einem Material mit hoher Festigkeit bestehen sollte.
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Erfindungsgemäß besteht der Gehäusedeckel aus einem transluzenten Kunststoff und der Gehäusekörper aus einem Kunststoff der Licht im Wesentlichen absorbiert. Dadurch ist es möglich, die beiden Gehäuseteile in einem optischen Schweißverfahren materialschlüssig und hermetisch dicht miteinander zu verbinden.
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Vorzugsweise bestehen der Gehäusedeckel und der Gehäusekörper aus dem gleichen Basis-Kunststoff und unterscheiden sich nur durch die Menge an Füllstoff. Dies vereinfacht die materialschlüssige Verbindung durch lokales Aufschmelzen mittels Laserstrahlung, z. B. mit Wellenlängen im infraroten Spektralbereich.
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Zweckmäßigerweise sind die Zahnräder des Getriebes aus einem hellen, den Laserstrahl nur geringfügig absorbierenden Werkstoff gefertigt, damit diese eventuell auftretendes Streulicht des Lasers nicht absorbieren und geschmolzen werden.
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Eine Untersetzungsstufe kann auch mehrere Zahnräder aufweisen, die gleichzeitig die Kraft übertragen, so dass die Festigkeit eines Zahnrades geringer sein kann, als das zu übertragende Moment es erfordert. Dies kann insbesondere für die mit dem Zahnrad des Abtriebs kämmende Getriebestufe vorteilhaft sein. Ebenso weisen Zahnräder, die ein größeres Drehmoment übertragen müssen, eine größere axiale Ausdehnung auf, wodurch diese Zahnräder besonders stabil sind und zusätzlich die auf die Zähne wirkende Kraft auf eine möglichst große Fläche verteilen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: ein schematischer Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Getriebe mit vier Untersetzungsstufen und einem zweiteiligen Gehäuse und
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2: ein detaillierter Querschnitt des erfindungsgemäßen Getriebes für einen Stellantrieb und
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3: ein Draufsicht auf die Innenseite des Gehäusedeckels eines Stellantriebes mit einem erfindungsgemäßen Getriebe und
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4: ein Draufsicht auf die Innenseite des Gehäusebodens eines Stellantriebes mit einem erfindungsgemäßen Getriebe und
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5: eine Detailansicht der Verbindung zwischen Gehäusedeckel und Gehäusekörper.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Getriebes 1 mit vier Untersetzungsstufen. Das Getriebe 1 weist ein zweiteiliges Getriebegehäuse 2 mit einem Gehäusedeckel 3 und einem Gehäusekörper 4 auf.
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Im Gehäusekörper 4 ist ein Antriebsmotor 5 angeordnet, auf dessen Welle 6 das Antriebszahnrad 7 angeordnet ist. Das Antriebszahnrad 7 hat einen Abstand S1 vom Gehäuseboden 8. Das Antriebszahnrad 7 bildet mit dem größeren Zahnrad 10 eines Doppelstirnzahnrads 9 die erste Untersetzungsstufe. Dieses Zahnradpaar definiert die oberste erfindungsgemäße Ebene E1.
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Das kleinere Zahnrad 11 des Doppelstirnzahnrads 9 bildet mit dem größeren Zahnrad 10' eines weiteren Doppelstirnzahnrads 9' die zweite Untersetzungsstufe. Die Doppelstirnzahnräder sind jeweils so angeordnet, dass das größere Zahnrad 10, 10' stets oben liegt, das heißt einen größeren Abstand zum Gehäuseboden 8 aufweist. Die durch die zweite Untersetzungsstufe definierte Ebene E2 hat einen Abstand S2 vom Gehäuseboden 8.
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Analog dazu existiert eine dritte Untersetzungsstufe mit einem weiteren Doppelstirnzahnrad 9'' in der Ebene E3 mit dem Abstand S3.
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Die vierte Untersetzungsstufe ist mit dem Abtriebszahnrad 12 in der Ebene E4 mit dem Abstand S4 definiert. Das Antriebszahnrad 12 ist nach Außen geführt so dass es beispielsweise mit der Welle eines Stellelements verbunden werden kann.
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Es gilt nun für die Abstände Sn (n = 1...4) der Ebenen S1 > S2 > S3 > S4. Das heißt die Abstände Sn zwischen den Ebenen En (n = 1...4) und dem Gehäuseboden 8 werden ausgehend von der obersten Ebene E1 hin zur untersten Ebene E4 kontinuierlich kleiner. Dementsprechend werden die Abstände der Ebenen En zum Gehäusedeckel 3 kontinuierlich größer.
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In der ersten Ebene E1 befindet sich das Antriebszahnrad 7 auf der Motorwelle 6. Der Antriebsmotor 5 hat eine hohe Drehzahl und nur ein geringes Drehmoment. Das bedeutet, dass in der ersten Ebene E1 nur ein relativ geringes Drehmoment übertragen wird und dementsprechend nur geringe radiale Kräfte auf die Zahnräder wirken. Im Beispiel ist der Antriebsmotor innerhalb des Getriebegehäuses 2 angeordnet. Er kann jedoch auch außerhalb angeordnet sein, ohne dass am Prinzip der Erfindung Änderungen notwendig wären.
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Das übertragene Moment und die radialen Kräfte auf die Zahnräder steigen kontinuierlich bis zur untersten Ebene E4 an, so wie die Drehzahlen in den Untersetzungsstufen sinken. Beispielsweise weist die Untersetzung der ersten Stufe S1 ein Verhältnis 13:75 und die letzte Stufe S4 ein Verhältnis 11:48 auf. Um die verschiedenen Untersetzungsverhältnisse der verschiedenen Getriebestufen (S1, S2, S3, S4) kostengünstig und effizient umzusetzen, ist es vorteilhaft Zahnräder zu nutzen, die durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien dem zu übertragenden Drehmoment angepasst sind.
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Alle Zahnräder sind im Beispiel auf Achsen 13 angeordnet, die im Gehäuseboden 8 und im Gehäusedeckel 3 gelagert sind.
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Die erfindungsgemäße Anordnung bewirkt nun, dass die Zahnräder mit geringer Kraftbelastung näher am Gehäusedeckel 3 und die Zahnräder mit größerer Kraftbelastung näher am Gehäuseboden 8 angeordnet und gelagert sind. Dadurch ist die Spannungsbelastung des Gehäusedeckels 3 insgesamt wesentlich geringer als die Spannungsbelastung des Gehäusebodens 8. Wie in den 2 bis 4 dargestellt, kann der Gehäusedeckel 3 und der Gehäuseboden 8 Achsaufnahmen 19 und Lagersitze 20 aufweisen. 2 zeigt einen aufgeklappten Schnitt A-A entlang der Achsen und Wellen des Untersetzungsgetriebes 1, wie er am in der 5 gezeigten Gehäusedeckel 3 angedeutet ist. Der Gehäusedeckel 3 kann dabei, insbesondere am Lagersitz 20 einer Welle 24 des Abtriebszahnrads 12, verstärkt sein. In 1 ist dies exemplarisch in Form eines Kragens 21, in dem die als Hohlwelle ausgestaltete Abtriebswelle 24 des Abtriebszahnrads 12 axial und radial gelagert ist, umgesetzt. Der Kragen 21 des Lagersitzes 20 dient dabei also auch als axialer Anschlag für das Abtriebszahnrad 12. Zusätzlich ist der Spalt zwischen Gehäusedeckel 3 und Hohlwelle 24 mittels einer Gummidichtung 32 abgedichtet um das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz zu verhindern. Zur Aufnahme der Achsen der anderen Zahnräder sind am Gehäusedeckel 3 sowie im Boden des Gehäusekörpers 4 weitere Achsaufnahmen 19 mit Kragen 22 angeformt, in welche die Achsen 13 der Zahnräder 9, 9', 9'' eingebracht sind. Diese Achsaufnahmen 19, sowie die zugehörigen Achsen 13 können, je nach zu Übertragendem Drehmoment, verschieden große Durchmesser aufweisen. Die Kragen 22 der Achsaufnahmen 19 sind zum Teil in Richtung der Achse 13 oder Welle des der gleichen Getriebestufe zugeordneten, zweiten Zahnrads geöffnet. Ebenso müssen die Zähne der Doppelstirnzahnräder 9, 9', 9'' nicht bis zu den Lagersitzen 19, 20 reichen. Daher können die Zahnräder 9, 9', 9'', 12 stirnseitige, axiale Auflageflächen 30 aufweisen, die auf entsprechenden Auflageflächen 31 an den Stirnseiten der Kragen 21, 22 aufliegen. Die Kragen 21, 22 der Achsaufnahmen 19 und Lagersitze 20 von höherliegenden Zahnräder (z. B. in den Ebenen E1 und E2) können zur Positionierung dieser Zahnräder in axialer Richtung höher ausgebildet sein als die Kragen 21, 22 der anderen Achsaufnahmen 19 und Lagersitze 20.
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Zur Lagerung der Welle 24 des Abtriebzahnrads 12 ist im Gehäuseboden 8 ein Gegenlager ausgeformt. Im Gegensatz zur ebenfalls einstückig mit dem Abtriebszahnrad 12 ausgeformten Hohlwelle 24 an der dem Gehäusedeckel 3 zugewandten Seite, ist das Abtriebszahnrad 12 auf der dem Gehäuseboden 8 zugewandten Seite durch einen am Zahnrad 12 angeformten Zentrieransatz 29 radial und axial gelagert. Die Stirnseite dieses Zentrieransatzes 29 sowie die Stirnseite des Lagersitzes 21 am Gehäuseboden 8 bilden also axiale Lagerflächen 30, 31 aus, weshalb bei der Herstellung des Abtriebszahnrads 12 die Verwendung von Materialien mit guten Gleiteigenschaften vorteilhaft ist. Insbesondere für die Zahnräder 9', 9'' der letzten Getriebestufen vor dem Abtrieb, die ein sehr hohes Drehmoment übertragen können, kann es vorteilhaft sein, dass die Zähne der Doppelstirnzahnräder 9, 9', 9'' in axialer Richtung bis zu den Lagersitzen 19 ausgedehnt sind. Dadurch wird die auf die Zähne wirkende Kraft auf eine möglichst große Fläche verteilt und Verschleiß minimiert. Die axiale Auflagefläche 30 der Zahnräder 9, 9', 9'' wird dann durch die Unterseite des Zahnrades selbst gebildet.
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Die hermetische Abdichtung des Gehäuses 2 wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die beiden Gehäuseteile 3, 4 in einem optischen Schweißverfahren materialschlüssig miteinander verbunden werden. Dies ist in der beanspruchten Weise nur durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Anordnung der Zahnräder möglich.
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Aufgrund der geringen Spannungsbelastung des Gehäusedeckels 3, kann dieser aus einem Kunststoff mit geringer Festigkeit hergestellt werden. Es ist daher möglich einen Kunststoff ohne oder nur mit einem geringen Anteil an Füllstoffen zu verwendet, der im Wesentlichen transluzent ist.
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Der Gehäusekörper 4 sollte hingegen aus einem Kunststoff bestehen, der eine hohe Festigkeit aufweist. Diese wird in der Regel durch Beimischung von Füllstoffen, etwa Glas- oder Kohlefasern, erreicht. Durch den hohen oder höheren Anteil an Füllstoffen ist der Gehäusekörper 4 nicht oder kaum transluzent.
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Der Gehäuseboden 8 kann zusätzlich an den Lagersitzen der Achsen verstärkt sein.
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Die 5 zeigt schematisch an einem Ausschnitt, wie der Gehäusedeckel 3 mit dem Gehäusekörper 4 verbunden wird. Der Gehäusedeckel 3 wird zunächst plan auf den Gehäusekörper 4 gesetzt. Der im Bild gezeigte Spalt 14 zwischen Gehäusedeckel 3 und Gehäusekörper 4 ist zur Verdeutlichung stark überzeichnet dargestellt und ist real nicht vorhanden.
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Der Laserstrahl 15 eines Lasers 18 wird im Wesentlichen senkrecht auf die Stirnfläche 16 der Gehäusewand 17 ausgerichtet und fokussiert. Der Laserstrahl 15 passiert den transluzenten Gehäusedeckel 3 praktisch ungehindert und trifft auf den Gehäusekörper 4. Das füllstoffhaltige Material des Gehäusekörpers 4 absorbiert das Laserlicht sehr gut und wird an seiner Oberfläche durch den Energieeintrag lokal verflüssigt. Die Schmelze verbindet sich mit dem festen Gehäusedeckel 3, so dass nach dem Aushärten der Schmelze eine materialschlüssige Verbindung zwischen Gehäusedeckel 3 und
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Gehäusekörper 4 besteht. Diese Verbindung ist hermetisch dicht und stabil, so dass das Innere des Getriebegehäuses 2 vor jeglichen Umwelteinflüssen dauerhaft geschützt ist.
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Durch die materialschlüssige Verbindung zwischen Gehäusedeckel 3 und -körper 4 wird kein zusätzliches Dichtmittel benötigt, das Korrosion und Alterung ausgesetzt ist. Das Gehäuse 2 ist daher dauerhaft hermetisch abgedichtet.
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Der Laserstrahl 15 wird dabei vorzugsweise punktförmig entlang des Umfangs des Gehäuses bewegt.
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Im Beispiel sind die Ebenen En jeweils etwa in der Mitte der Zahnradpaare definiert. Für die Erfindung spielen jedoch die Lage und der genaue Abstandswert der Ebenen keine Rolle. Entscheidend ist nur, dass die Abstände der Ebenen kontinuierlich geringer werden.
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Ebenso spielt für die Erfindung die Anzahl der Untersetzungsstufen sowie deren Untersetzungsverhältnisse keine Rolle. Ein erfindungsgemäßes Getriebe kann statt der gezeigten vier auch nur drei oder fünf oder mehr Untersetzungsstufen aufweisen. Wichtig ist nur, dass jede Untersetzungsstufe in einer eigenen Ebene angeordnet ist. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Prinzip auch bei Übersetzungsgetrieben angewandt werden. Ein solcher Anwendungsfall ist jedoch selten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebe
- 2
- Getriebegehäuse
- 3
- Gehäusedeckel
- 4
- Gehäusekörper
- 5
- Antriebsmotor
- 6
- Motorwelle
- 7
- Antriebszahnrad
- 8
- Gehäuseboden
- 9, 9', 9''
- Doppelstirnzahnrad
- 10, 10', 10''
- größeres Zahnrad
- 11, 11', 11''
- kleineres Zahnrad
- 12
- Abtriebszahnrad
- 13
- Achsen
- 14
- Spalt
- 15
- Laserstrahl
- 16
- Stirnfläche
- 17
- Gehäusewand
- 18
- Laser
- 19
- Achsaufnahme
- 20
- Lagersitz (Abtrieb)
- 21
- Kragen (Abtrieb)
- 22
- Kragen
- 24
- Hohlwelle
- 26
- Axialer Anschlag
- 29
- Zentrieransatz
- 30
- Axiale Auflagefläche (Zahnrad)
- 31
- Axiale Auflagefläche (Lagersitz)
- 32
- Gummidichtung
