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Die Erfindung betrifft ein mehrstufiges Getriebe mit einem Getriebegehäuse umfassend: um eine gemeinsame Getriebeachse rotierende Antriebswelle und Abtriebswelle, einer mit der Antriebswelle in Wirkverbindung stehenden ersten Getriebestufe, sowie einer mit der Antriebswelle in Wirkverbindung stehenden zweiten Getriebestufe, wobei mindestens eine der Getriebestufen ein innenverzahntes Hohlrad aufweist, wobei zur Kraftübertragung von der Antriebswelle über die Getriebestufen zur Abtriebswelle in den Getriebestufen ausschließlich Zahnräder angeordnet sind.
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Mehrstufige Getriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt, so beschreibt zum Beispiel die
DE 199 58 637 A1 ein mehrstufiges Zahnradgetriebe das über eine gemeinsame Getriebeachse verfügt um die eine Eingangs- und eine Ausgangswelle rotiert und bei dem über Gruppen von axial hintereinander angeordneten Zahnrädern die Kraftübertragung von Eingangs- zur Ausgangswelle realisiert wird.
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Derartige Getriebe haben den Nachteil, dass sie lang bauen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten mehrstufigen Getriebe derart weiterzubilden, dass eine kompaktere Bauweise sowie die Übertragung sehr hoher Momente ermöglicht wird. Des Weiteren soll das mehrstufige Getriebe sich mit einer großen Bandbreite an Übersetzungsverhältnissen in engen Stufungen ausführen lassen. Schließlich soll ein mehrstufiges Getriebe vorgeschlagen werden, dessen Bauform weniger Lager benötigt und somit zur Kosteneinsparung beiträgt.
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Die Lösung der Aufgabe ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Getriebestufen auf einer Ebene angeordnet sind, die senkrecht zur gemeinsamen Getriebeachse liegt, die erste Getriebestufe ein Planetengetriebe mit einem Sonnenrad und mindestens einem Planetenrad ist, das in einem Hohlrad angeordnet sind und die zweite Getriebestufe ein Planetengetriebe ist, wobei das Hohlrad der ersten Stufe das Sonnenrad der zweiten Stufe ist und beide Getriebestufen in einem weiteren Hohlrad angeordnet sind oder die zweite Getriebestufe ein als Differenzgetriebe ausgeführtes Exzentergetriebe ist.
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Durch diese gewählte Bauweise der Getriebe in Getriebe Anordnung baut das gesamte Getriebe kürzer. Es wird zwar im gesamten Außendurchmesser etwas größer, was im Normalfall keine Nachteile bringt, da einerseits dieser erforderliche Raum zur Verfügung steht und die Vorteile des kürzer bauenden Getriebes wesentlich überwiegen.
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Sofern große Übersetzungen und die Übertragung hoher Momente gefordert sind, ist die zweite Getriebestufe ein als Differenzgetriebe ausgestaltetes Exzentergetriebe. Derartige Exzentergetriebe sind an sich beispielsweise aus Zahnradtechnik, Stirnrad-Evolventenverzahnungen, Karlheinz Roth, 2. Auflage, Springer Verlag, Seite 189 bekannt. Das innere Rad in dem Hohlrad des Getriebes wird durch einen Steg angetrieben. Aufgrund der Mindestbaugröße und der übertragbaren Momente wird das Exzentergetriebe als zweite und/oder dritte Getriebestufe, nicht jedoch als erste mit der Antriebswelle verbundene Getriebestufe verbaut. Sofern kleinere Übersetzungen gefordert sind, ist die zweite Getriebestufe ebenfalls als Planetengetriebe ausgeführt. Das erfindungsgemäße Getriebe lässt eine große Bandbreite an Übersetzungsverhältnissen in engen Stufungen zu.
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Mit steigender Belastung (zu übertragendes Drehmoment) ist es erforderlich, dass die eingesetzten Zahnräder stärker Dimensioniert werden.
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Dies bedeutet, dass die Räder der zweiten Stufe breiter bauen als die der ersten Stufe. Sind die Stufen, wie im Stand der Technik bekannt, axial hintereinander angeordnet, baut die zweite Stufe breiter als die erste. Gemäß der Erfindung liegt die zweite Stufe radial über, also Radialschnitt gesehen außerhalb, der ersten Stufe. Die Baubreite der ersten Stufe wird somit von der Baubreite der zweiten Stufe überlagert und ist bezogen auf die gesamte axiale Breite des Getriebes irrelevant.
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Die erste Getriebestufe ist als Planetengetriebe mit einem Sonnenrad und mindestens einem Planetenrad, vorzugsweise mit mindestens drei Planetenrädern, die in einem Hohlrad angeordnet sind, ausgeführt. Hierdurch wird es möglich, die erste, innenliegende Getriebestufe im Durchmesser sehr klein zu bauen, was sich wiederum günstig auf den Gesamtdurchmesser auswirkt.
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Wenn die zweite Getriebestufe auch ein Planetengetriebe ist, ist das Hohlrad der ersten Stufe das Sonnenrad der zweiten Stufe und beide Getriebestufen sind in einem weiteren Hohlrad angeordnet. Bei dieser ersten Variante umschließt ein äußeres Hohlrad die Planeten der zweiten Stufen und zusätzlich das Hohlrad mit den Planeten der ersten Stufe, es ist somit ein Planetengetriebe in einem Planetengetriebe angeordnet und baut somit in axialer breite und im Gesamtdurchmesser relativ klein. In analoger Weise kann auch noch eine weitere Getriebestufe angeordnet werden, sodass drei Getriebestufen ineinander auf einer Ebene geschachtelt sind.
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In der zweiten Variante ist vorgesehen um das Planetengetriebe ein erstes oder auch ein zweites, als Differenzgetriebe ausgestaltetes Exzentergetriebe anzuordnen. Auch diese Bauart hat den großen Vorteil, dass sie klein baut ohne zu stark im Durchmesser zu wachsen. Mit den Exzentergetrieben lassen sich meist verhältnismäßig große Übersetzungen in einer Stufe realisieren. Die Kombination des Planetengetriebes im Exzentergetriebe kombiniert die Vorteile der beiden Getriebearten, kleine Untersetzungen im Planetengetriebe und große Übersetzungen im Exzentergetriebe.
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Es können somit gleiche oder unterschiedliche Getriebebauarten wie Module mit mehreren Stufen ineinander geschachtelt werden.
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Sind weitere Über- oder Untersetzungen erforderlich, können die oben beschrieben Getriebebauweisen der Getriebe im Getriebe auch noch in axialer Richtung dupliziert werden. Es wird also ein Getriebe im Getriebe einem Getriebe im Getriebe nachgeschaltet. Es spielt hierbei keine Rolle welche Getriebearten wie kombiniert werden, es können Planetengetriebe in Planetengetrieben mit Planetengetriebe im Exzentergetriebe etc. beliebig kombiniert werden. Auch ist die Anzahl der Stufen unwesentlich, es können drei Stufen mit zwei Stufen oder umgekehrt axial nacheinander angeordnet werden. Die oben beschriebenen Module mit den unterschiedlichen Getriebebauarten und unterschiedlicher Stufenanzahl werden also axial hintereinander angeordnet, dies kann auch mehrfach erfolgen.
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Alle vorgeschlagenen Getriebebauarten mit Planetengetriebe haben eins gemein: Werden mehrere Getriebe im Getriebe angeordnet ist das Hohlrad des innenliegenden Planetengetriebes gleich das Sonnenrad des um diese innen liegenden Planetengetriebe angeordneten Planetengetriebes.
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Vorteilhafterweise ist die Verzahnung in den Getrieben eine Evolventenverzahnung.
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Durch die Getriebe im Getriebe Anordnung wird es möglich die erforderliche Lagerung der einzelnen beweglichen Teile zu minimieren. So kann zum Beispiel Lagerung der Antriebswelle in der Abtriebswelle vorgesehen werden.
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Die Belastungsfähigkeit koaxialer Planetengetriebe und koaxialer Exzentergetriebe nimmt mit wachsendem Ø mit dem Quadrat zu. Das liegt daran, dass die Hauptbelastungsfähigkeit, ausgedrückt durch die Zahnfußspannung, mit dem Quadrat des Moduls steigt. Die runde Fläche steigt ebenfalls mit dem Quadrat des Durchmessers.
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Getriebe die eine große Fläche im Ø nutzen bauen kompakter (kleineres umbautes Volumen und sind kostengünstiger) als Getriebe die axial lang gebaut sind.
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Folgerichtig können nach der vorliegenden Erfindung mehrstufige Getriebe sinnvollerweise nicht wie bisher praktiziert hintereinander sondern ineinander angeordnet werden. Dadurch werden belastungsgleiche Getriebe ähnlich einem „Körper gleicher Festigkeit“ möglich.
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Bei Planetengetrieben mit mehreren Planeten ineinander wird vorgeschlagen:
- • Für die erste Stufe gilt, bei einem zweistufigem Planetengetriebe, mit Antrieb der zweiten Stufe durch das Hohlzahnrad der ersten Stufe, die Standübersetzung nach Gleichung i = – Z4/Z2.
- • Für die zweite Stufe gilt bei Abtrieb des Steges die Umlaufübersetzung nach Gleichung i = 1 + (Z5/Z2).
- • Es sind nun einfache Bauweisen möglich indem jeweils ein Getriebe in das andere eingebaut wird.
- • Es sind aber auch Kombinationen möglich bei denen z.B. zwei Planetengetriebe in einer Ebene ineinander gebaut werden und eine dritte Stufe axial hintereinander angehängt wird oder sogar zwei Stufen ineinander axial angehängt werden.
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Bei Exzentergetrieben ineinander wird vorgeschlagen:
- • Mit Exzentergetriebe lassen sich meist verhältnismäßig großer Übersetzungen in einer Stufe realisieren (i > 20:1 bis i = 200). Übersetzungsgleichung i = Zex/(Zex-Zhohl). Mittlere und besonders kleine Übersetzungen sind schwierig mit mehrstufigen Exzentergetrieben zu realisieren (20 × 20 = 400). Hier hilft die Kombination von Exzentergetrieben mit Planetengetrieben (i = 100 × 3 = 300) welche je Stufe kleine Untersetzungen ermöglichen.
- • Wie bei den Planetengetrieben sind die gleichen Kombinationen machbar und sinnvoll.
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Die Getriebe können folgende Bauweisen umfassen:
- • Die Getriebe wachsen mit der Belastung nicht nur in radialer Richtung sondern ebenfalls in axialer (Breite) Richtung.
- • Dies ermöglicht es die Lagerungen der größeren Stufe ineinander neben der Lagerung der kleineren Stufe unterzubringen.
- • Die Antriebswelle kann in der Abtriebswelle abstützend gelagert werden. Dadurch bauen die Getriebe in der Breite schmaler.
- • Baukästen nach Ø gestuft lassen sich kombinieren, bei einer Trennung des Hohlzahnrades, bzw. des Exzenters mit dem Hohlzahnrad, in zwei Teile, lassen sich weit mehr Varianten kombinieren.
- • Während mehrere axial hintereinander gebaute Getriebe mehrere Gehäuse benötigen und die Lagerungen aufwendiger sind, können ineinander gebaute Getriebe in ein Gehäuse mit kleinem Bauraum eingebaut werden. Der Bauraum entspricht dem Bauraum, den das Getriebe, wegen der großen Dimensionierung infolge der Belastung, sowieso einnehmen würde.
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In den Zeichnungen werden schematisch einige Varianten der erfindungsgemäßen Getriebebauarten gezeigt:
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1 zeigt einen Axialschnitt durch ein Planetengetriebe im Planetengetriebe,
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2 zeigt 1 in einem Radialschnitt,
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3 zeigt die Kombination der 1 mit einem einstufigen Planetengetriebe,
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4 entspricht der Anordnung von zwei Getrieben nach 1,
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5 zeigt ein Planetengetriebe in einem Exzentergetriebe,
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6 zeigt den Radialschnitt der 5,
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7 zeigt ein in einer Ebene verschachteltes dreistufiges Getriebe,
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8 zeigt den Radialschnitt der 5,
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9 zeigt ein dreistufiges Planetengetriebe in einer Ebene mit Trennfuge und
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10 den Radialschnitt der 9
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1 zeigt einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Getriebeanordnung. Um die gemeinsame Getriebeachse 1 rotiert eine Antriebswelle 2 sowie die Abtriebswelle 3. Die Antriebswelle 2 steht in Wirkverbindung mit den Planeten 9 der ersten Getriebestufe 4. Dies Planeten 9 der ersten Getriebestufe 4 stehen wiederum in Wirkverbindung mit dem Hohlrad 6, welche in der gleichen Ebene 7, die senkrecht zur gemeinsamen Getriebeachse 1 liegt, steht. Dieses Hohlrad 6 fungiert als Sonnenrad 10 für die zweite Getriebestufe 5 und weist somit eine Innen- und eine Außenverzahnung auf. Über diese Außenverzahnung steht das Sonnenrad 10 wiederum in Wirkverbindung mit auf der gleichen Ebene 7 angeordneten weiteren Planeten 9 die mit einem weiteren Hohlrad 11 mit Innenverzahnung kämmen. Diese Planeten übertragen den Kraftfluss auf die Abtriebswelle 3. Die Getriebestufen 4 und 5, die auf der senkrecht zur gemeinsamen Getriebeachse 1 verlaufenden Ebene 7 angeordnet sind, sind in einem Gehäuse 14 eingebunden. Durch die kompakte Bauweise und die ineinander verschachtelte Lagerung der Komponenten baut das Getriebe in Gänze schmal und die Anzahl der Lager 14 sind im Vergleich zu herkömmlichen Getrieben minimiert.
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2 zeigt die gleiche Getriebeanordnung wie in 1 in einem Schnitt durch die Ebene 7. Im Zentrum der Figur ist die Antriebswelle 2 dargestellt. Drei Planten 9 der ersten Getriebestufe 4 kämmen sowohl mit der Antriebswelle 4 als auch mit dem Hohlrad 4. Das Hohlrad 6 weist neben der Innenverzahnung eine Außenverzahnung auf und fungiert als Sonnenrad 10 für zweite Getriebestufe 5. Hier kämmen fünf Planeten 9 mit den Sonnenrad 10 und dem weiteren Hohlrad 11.
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3 zeigt die Getriebeanordnung nach 1 der ein einstufiges Planetengetriebe axial nachgeschaltet ist. Die Bezugsziffern entsprechen denen der 1. Die axiale Anordnung von zwei Planetengetrieben im Planetengetriebe ist in 4 dargestellt.
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Eine andere Getriebebauart ist in der 5 wiedergegeben. Hier ist ein Planetengetriebe als erste Getriebestufe 4 und ein Exzentergetriebe als zweite Getriebestufe 5 dargestellt. Die Antriebswelle 2 kämmt mit drei Planeten 9 im Hohlrad 6. Ein Exzentergetriebe umschließt als zweite Getriebestufe 5 das Planetengetriebe und ist in der gleichen Ebene 7 angeordnet wie das Planetengetriebe der ersten Getriebestufe 4. Die Darstellung der Getriebeanordnung nach 5 in einem Axialschnitt ist in der 6 wiedergegeben. Gleiche Teile sind wiederum mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Ein dreistufiges Getriebe nach der erfindungsgemäßen Verschachtelung auf einer Ebene 7 ist in 7 dargestellt. Auch hier besteht die erste Getriebestufe 4 aus einem Planetengetriebe, gebildet aus der Antriebswelle 2 als Sonnenrad mit drei Planeten 9 und dem Hohlrad 6. Die zweite Getriebestufe 5 und die dritte Getriebestufe 12 sind als Exzentergetriebe ausgeführt. Auch diese Darstellung der Getriebeanordnung nach 7 ist in einem Axialschnitt in der 8 gezeigt. Gleiche Teile sind auch hier mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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Eine Alternative eines dreistufigen Getriebes im Getriebe ist in den 9 und 10 dargestellt. Zwischen der zweiten Getriebestufe 5 und der dritten Getriebestufe 12 wird das Drehmoment über Passfedern 16 vom weiteren Hohlrad 11 auf das dritte Sonnenrad 13 übertragen. Alternativ kann hier ein polygonförmiges Profil eingesetzt werden. Alle Getriebestufen sind als Planetengetriebe ausgeführt.
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Die Trennung der einzelnen Getriebebaureihen erfolgt an einer Trennfuge 17. Das innere Getriebe kann in mehreren Übersetzungen und Stärken gebaut werden, die mit den Getrieben der umbauten Getriebe-Baureihe kombiniert werden. So ergeben sich mit wenigen Getriebeteilen viele Getriebekombinationen. Die Darstellung im Axialschnitt ist in 10 wiedergegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- gemeinsame Getriebeachse
- 2
- Antriebswelle
- 3
- Abtriebswelle
- 4
- erste Getriebestufe
- 5
- zweite Getriebestufe
- 6
- Hohlrad
- 7
- senkrechte Ebene zu 1
- 8
- Sonnenrad
- 9
- Planetenrad
- 10
- Sonnenrad von 4, entspricht 6
- 11
- weiteres Hohlrad
- 12
- dritte Getriebestufe
- 13
- drittes Sonnenrad für 12, entspricht 11
- 14
- Gehäuse
- 15
- Lager
- 16
- Passfeder
- 17
- Trennfuge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Zahnradtechnik, Stirnrad-Evolventenverzahnungen, Karlheinz Roth, 2. Auflage, Springer Verlag, Seite 189 [0007]
