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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Reibrollen-Umlaufgetriebe mit einem Planetenträger, an dem eine Mehrzahl als Reibrollen oder Stützrollen ausgebildeter Planeten drehbar gelagert ist, einen Andruckerzeuger und einem Andruckaufnehmer.
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Stand der Technik
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Reibrollengetriebe in Koaxialbauweise und insbesondere koaxiale Motor-Getriebeeinheiten haben sich in Bezug auf Bauraum-, Kraftübertragungs- und Wirkungsgradvorteile bewährt. Voraussetzung dafür sind drehmomentabhängige Andruckvorrichtungen, die unter bestimmten Voraussetzungen – quasi als Begleiterscheinung – auch Spiel durch Fertigungstoleranzen und Verschleiß ausgleichen.
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Drehmomentabhängige Andruckvorrichtungen für Planetengetriebe basieren im Wesentlichen entweder auf dem drehrichtungsabhängigen Verklemmen bzw. Freigeben von abrollfähigen Andruckelementen in keilartigen Anordnungen (
GB 1 341 665 A ) oder dem drehrichtungsabhängigen Umschlingen von Planetenrädern mit einer Schraubenfeder (Schlingfeder), die sich durch Reibung und großem Umschlingungswinkel festzieht (
DE 522 994 A ).
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In der Anordnung von
GB 1 341 665 A wirkt die Andruckvorrichtung axial beidseitig auf doppelkegelförmige oder bombierte Planetenräder. Die Umsetzung axialen Andrucks in radialen Andruck erfordert größeren Bauteilaufwand als die direkte Erzeugung radialen Andrucks an der Stelle, wo er benötigt wird. Die beidseitige axiale Andruckvorrichtung erfordert auch mehr Bauraum, verursacht eine nicht unerhebliche Zugbelastung auf die Sonnenwelle und verbietet die vorteilhafte Ausführung von Planetenrädern mit Keilrippenprofil. Voraussetzung für Keilrippenprofile ist radialer Andruck.
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Die Anordnung von
DE 522 994 A ist in ihrer Belastbarkeit von der Zugfestigkeit nur eines Drahtquerschnittes des Federdrahtes begrenzt, außerdem ist für jede Drehrichtung eine eigene Feder mit gegenläufigem Wicklungssinn erforderlich, von denen jeweils eine ungenutzt bleibt, die Länge des Getriebes verdoppelt sich also.
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Die
DE 163 066 A offenbart ein Reibrollengetriebe mit einer Anzahl Rollen zwischen einem ersten Ring und der Außenseite eines Laufrings, die mit Erhöhungen versehen ist oder ein Vieleck bildet. Wenn sich die Rollen in der Mitte der betreffenden Seitenseiten des Vielecks befinden, ist ein zweiter Ring am wenigsten zusammengezogen. Wird der erste Ring gegen den zweiten Ring gedreht, nähern sich die Rollen den Enden der Seiten und der Laufrings wird mehr und mehr zusammengezogen.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Reibrollen-Umlaufgetriebe mit minimalem Bauraumbedarf, hoher Belastbarkeit, hoher Verschleißtoleranz, einfacher Bauart, geringer Geräuschentwicklung und für schmierelosen Betrieb bereit zu stellen. Eine derartige Andruckvorrichtung soll Reibrollengetriebe als preisgünstige und geräuschärmere Alternative zu Zahnradgetrieben allgemein aufwerten und ihren Einsatz fördern.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch ein Reibrollen-Umlaufgetriebe nach Anspruch 1 gelöst.
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Ein radial bezüglich der Getriebehauptachse wirkende Andruckerzeuger ist konzentrisch zur Getriebehauptachse, ausführungsabhängig entweder innerhalb oder radial außerhalb von Planeten und ein ein- oder mehrteilige Andruckaufnehmer entgegengesetzt davon entweder radial außerhalb oder innerhalb des Andruckerzeugers angebracht. Der Andruckerzeuger umfasst die Andruckbasis, einen radial nachgiebigen, beispielsweise flexiblen oder elastischen, von der Andruckbasis aus in die Richtung der Planeten radial vorgespannten, im Wesentlichen ring- oder hülsenartigen, ein- oder mehrlagig gestalteten Abrollkörper für die Planeten und Klemmelemente zwischen der Andruckbasis und dem Abrollkörper. Die Klemmelemente verursachen mittels Keilwirkung lastabhängige Klemmung zwischen der Andruckbasis und dem Abrollkörper und damit ein radiales Auseinanderdrücken derselben, sobald ein Drehmoment zwischen den Planeten und der Andruckbasis auftritt. Letztere ist ausführungsabhängig das Sonnenrad oder das Hohlrad des Getriebes. Das radiale Auseinanderdrücken stellt durch die radiale Nachgiebigkeit des Abrollkörpers die für ein Reibrollengetriebe erforderliche radiale Normalkraft an die Planeten und im weiteren an den Andruckaufnehmer bereit. Letzterer besteht ausführungsabhängig aus dem Hohlrad, dem Sonnenrad oder aus den Planetenachsen des Planetenträgers.
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Die Andruckbasis ist das Hohlrad, an dem die Klemmelemente innen anliegen, wobei die Klemmelemente den Abrollkörper umringen, der die auf einem Planetenträger angebrachten Planeten außen gemeinsam umschlingt, sie radial nach innen vorspannt und an seiner Innenseite die Abrollbahn für die Planeten bildet. Der Andruckaufnehmer ist im Wesentlichen der Planetenträger mit seinem Planetenachsen. Die Klemmelemente umfassen Klemmrollen, die sich in Taschen der Andruckbasis unter einem bestimmten Keilwinkel abstützen. Alternativ oder zusätzlich hierzu umfassen die Klemmelemente abrollfähige Klemmkörper, welche die Andruckbasis berühren. Die Klemmrollen oder Klemmkörper können mittels eines federnden Klemmrollenvorspanners oder eines federnden Klemmkörpervorspanners gegen die Andruckbasis und/oder gegen den Abrollkörper vorgespannt sein.
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Die Andruckbasis kann das Sonnenrad sein, an dem die Klemmelemente außen liegen. Die Klemmelemente können von dem Abrollkörper umgeben sein, der die auf einem Planetenträger angebrachten Planeten radial nach außen vorspannt. Der Abrollkörper bildet an seiner Außenseite die Abrollbahn für die Planeten. Der Andruckaufnehmer kann das Hohlrad sein, an dem die Planeten innen abrollen. Die Planeten können für eine ungehinderte Andruckaufnahme und eine ungehinderte eine radiale Beweglichkeit bezüglich der Getriebe Hauptachse aufweisen. Beispielsweise kann ein radiales Spiel der Planeten auf den Planetenachsen vorhanden sein.
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Die Andruckbasis kann das Hohlrad sein, an dem die Klemmelemente innen anliegen. Die Klemmelemente umringen den Abrollkörper, der die auf einem Planetenträger angebrachten Planeten außen gemeinsam umschlingt, sie radial nach innen vorspannt und an seiner Innenseite die Abrollbahn für die Planeten bildet.
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Der Andruckaufnehmer kann das Sonnenrad sein, an dem die Planeten außen abrollen. Die Planeten können für eine ungehinderte Andruckaufnahme und eine ungehinderte Andruckweitergabe eine radiale Beweglichkeit bezüglich der Getriebehauptachse aufweisen.
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Die radiale Beweglichkeit kann durch das radiale Spiel der Planeten auf den Planetenachsen oder von Planetenträgern mit Planetenachsträgern durch radial bezüglich der Getriebehauptachse verlaufende Langlöcher zur Lagerung der Planetenachsen im Planetenachsträger bereitgestellt werden.
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Die gegeneinander abrollbaren Komponenten der Andruckvorrichtung, beispielsweise die Andruckbasis, die Klemmelemente und der Abrollkörper des Andruckerzeugers, die Planeten sowie der Andruckaufnehmer können zumindest teilweise an ihrer Abrolloberfläche mit Keilrippen in Abrollrichtung ausgestaltet sein. Die Funktionstypen von Planeten der Andruckvorrichtung können nach Außendurchmesser und radialem Abstand von der Getriebehauptachse unterscheidbar sein. Die Funktionstypen können zumindest eines von folgendem umfassen: Planeten, die einen radialen Druck vom Andruckerzeuger im Wesentlichen nur auf die Planetenachsen als Andruckaufnehmer weitergeben; Planeten, die radialen Druck vom Andruckerzeuger ausführungsabhängig im Wesentlichen auf das Hohlrad oder das Sonnenrad als Andruckaufnehmer weitergeben; und/oder Planeten, die keinen mechanischen Kontakt zum Andruckerzeuger aufweisen, sondern lediglich den Andruckaufnehmer, d. h. das Sonnenrad oder das Hohlrad, gegen den Planetenträger radial abstützen.
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Das Sonnenrad kann bei Ausführungen entfallen, bei denen alleine die Planetenachse des Planetenträgers den radialen Andruck des Andruckerzeugers auf die Planeten aufnimmt, wobei der schnell rollende An- oder Abtrieb des Planetenträgers nicht über dem Rollkontakt zwischen den Planeten und dem Sonnenrad erfolgt, sondern durch alternative An- oder Abtriebsmittel, welche auf einem oder eine kleine Mehrzahl der Planeten wirken oder den Planetenträger direkt antreiben. Vorzugsweise wirken die An- oder Abtriebsmittel auf weniger als 60 Prozent der Planeten, höchstvorzugsweise auf weniger als 50 Prozent der Planeten, mehr bevorzugt auf weniger als 34 Prozent der Planeten, besonders bevorzugt auf weniger als 25 Prozent der Planeten, höchst bevorzugt auf weniger als 15 Prozent der Planeten.
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Der radial nachgiebige, ring- oder hülsenartige Abrollkörper ist in der Art von Schraubenfedern, Federringen oder dünnwandigen Rohren ausgeführt, wobei diese auch zu einem mehrlagigen Gebilde kombinierbar sind.
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Eine Schraubenfeder (wie auch ein Federring) besitzt die Eigenschaft, bei gleichmäßig verteiltem radialem Andruck je nach Andruckrichtung einen kleineren oder größeren Durchmesser anzunehmen als im unbelasteten Zustand. Erfolgt der Andruck über Klemmkörper oder Klemmrollen als Stützelemente, die nahe genug beisammen liegen, ist die im Betrieb zeitlich variable und lokale Durchbiegung zwischen zwei benachbarten Stützelementen vernachlässigbar – gegenüber der Gesamtdurchbiegung der Feder aufgrund des andruckbedingt veränderten Federdurchmessers. Entsprechende Dimensionierung der Feder vorausgesetzt. Dadurch eignet sich die den Stützelementen radial gegenüber liegende Seite der Schraubenfeder (des Federrings) als Abrollbahn für Planeten.
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Zur Erhöhung der Getriebebelastbarkeit sind gegeneinander abrollbare Komponenten der Andruckvorrichtung, also Andruckbasis, Klemmelemente, Abrollkörper des Andruckerzeugers sowie Planeten und Andruckaufnehmer – an ihrer Abrollfläche zumindest teilweise mit Keilrippen in Abrollrichtung ausstattbar, die beim Abrollen ineinander eingreifen.
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Eine Schraubenfeder als Abrollkörper weist – wie auch eine handelsübliche Schlingfeder – vorzugsweise rechteckigen Federdraht-Querschnitt auf und ist – wie gesagt – mit einem Keilrippenprofil an der Innen- und radialen Außenseite ausstattbar.
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Ein Federring als Abrollkörper besitzt – um radiale Nachgiebigkeit zu gewährleisten – einen Spalt, der jedenfalls nicht in Axialrichtung des Getriebes verläuft, um beim Abrollen der Planeten keine Störungen zu verursachen, ähnlich wie bei einer Fahrt mit der Eisenbahn über nicht verschweißte Schienen. Die Anbringung von Keilrippenprofilen ist bei einem Federring fertigungstechnisch einfacher als bei einer Schraubenfeder.
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Bei Umlauf-Reibrollengetrieben besteht u. U. die Gefahr des Blockierens – besonders bei hoher Last. Hervorgerufen durch kinematische Überbestimmtheit der gegeneinander abrollbaren Getriebekomponenten. Zwar kann man durch geeignete Dimensionierung des Abrollkörpers und die Wahl der Anzahl an Stützelementen in Form von Klemmrollen oder Klemmkörpern die radiale Durchbiegung des Abrollkörpers konstruktiv steuern. Damit wird während des Abrollens kurzfristige Entlastung eines Planeten nach dem Passieren eines Stützelements erreicht, sodass kurzes Gleiten die kinematische Überbestimmtheit wieder ausgleicht. Doch verzichtet man damit auf hohe Belastbarkeit des Getriebes, da gleitende Planeten nicht viel zum Gesamtdrehmoment beitragen. Besser ist eine andere Art der kinematischen Entkopplung, speziell anwendbar bei Differenzial-Umlauf-Reibrollengetrieben. Wenn dafür gesorgt wird, dass die Mehrzahl der Planeten nicht zwischen Andruckbasis und Andruckaufnehmer eingekeilt wird:
Der Planetenträger kommt bei hoch untersetzenden Getrieben im Vergleich zum hohen Getriebe-Abtriebsmoment mit wenig Antriebsmoment aus. Es reicht also, nur einen der Planeten vom Sonnenrad antreiben zu lassen. Womit sich drei Funktionstypen von Planeten der Andruckvorrichtung ergeben, unterscheidbar nach Außendurchmesser und Radialabstand von der Getriebehauptachse, nämlich
- – Planeten, die radialen Druck vom Andruckerzeuger im Wesentlichen nur auf die Planetenachsen als Andruckaufnehmer weitergeben,
- – Planeten, die radialen Druck vom Andruckerzeuger ausführungsabhängig im Wesentlichen auf das Hohlrad oder das Sonnenrad als Andruckaufnehmer weitergeben,
- – sowie Planeten, die keinen mechanischen Kontakt zum Andruckerzeuger aufweisen, sondern lediglich den Andruckaufnehmer, also ausführungsabhängig das Sonnenrad oder das Hohlrad gegen den Planetenträger radial abstützen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein Umlauf-Reibrollengetriebe mit Andruckvorrichtung zwischen Planeten und Hohlrad des Standes der Technik,
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2 eine isometrische Sicht des Getriebes aus 1 ohne Hohlrad,
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3 ein Umlauf-Reibrollengetriebe mit Andruckvorrichtung zwischen Sonnenrad und Planeten,
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4 eine isometrische Sicht auf den vorgespannten Andruckerzeuger aus 3,
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5 die entspannte Schraubenfeder aus 3,
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6 einen Schnitt durch einen exemplarischen Radnabenantrieb,
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7 eine isometrische Ansicht des Radnabenantriebs aus 6,
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8 ein Detail aus 6 mit Schnittführungen A-A und B-B,
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9 ein Detail des Schnittes A-A aus 8 mit unidirektionalem Andruckerzeuger,
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10 eine isometrische Detailsicht des unidirektionalen Andruckerzeugers aus 9,
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11 das analoge Bild zu 9 für einen bidirektionalen Andruckerzeuger,
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12 ein Detail des Schnittes B-B aus 8 mit bidirektionalem Andruckerzeuger,
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13 die Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Robotergelenk-Antriebs mit Differenzial-Umlaufgetriebe in Keilrippenausführung,
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14 einen Schnitt durch Robotergelenk-Antrieb aus 13 mit Schnittführung C-C,
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15 den Querschnitt C-C durch den Robotergelenk-Antrieb,
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16, 17 Details aus 15, und
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18 zwei in Einzelheiten geänderte Ausführungen des Robotergelenk-Antriebes aus den 13 bis 17, nämlich ohne Sonnenrad und mit zwei alternativen Antriebsvarianten, schematisch.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Die Andruckvorrichtung in den 1 und 2 des Standes der Technik zeigt ein Planeten-Reibrollen-Umlaufgetriebe, bestehend zunächst aus einem Sonnenrad 1 als Andruckaufnehmer und als Teil der Sonnenwelle, aus einer Anzahl von Planeten 2 an einem nur in 2 dargestellten Planetenträger 3 mit Abtriebswelle und einem Hohlrad 4 mit Taschen 5 an seiner Innenseite. Der Andruckerzeuger 10 beinhaltet neben dem Hohlrad 4 als Andruckbasis eine Klemmrolleneinheit 20 mit einer Anzahl von Klemmrollen 21 und einem so genannten Klemmrollenvorspanner, der aus einer Anzahl von mehrlagigen Blattfedern 22 gebildet ist, sowie aus einem Abrollkörper 30, in dieser Ausführung nur aus einer Schraubenfeder 31 bestehend. Diese umschlingt die Planeten 2 unter einer gewissen Vorspannung, so dass die Planeten 2 und die Schraubenfeder 31 einander dauerhaft berühren, die Innenseite der Schraubenfeder dient als Abrollbahn für die Planeten. Die Blattfedern 22 des Klemmrollenvorspanners – durch Weglassen des Hohlrades 4 in 2 gut sichtbar – drücken je zwei benachbarte Klemmrollen 21 gegen die Flanken der Taschen 5 und bewirken damit dauerhaften Kontakt zwischen Hohlrad 4 und Schraubenfeder 31. Setzt man das Sonnrad 1 in Bewegung, baut sich – zunächst nur aufgrund der Vorspannung – zwischen den Planeten und der Schraubenfeder eine Tangentialkraft auf, welche die Schraubenfeder 31 an die Klemmrollen 21 weitergibt. Dies führt in weiterer Folge zu einem Verklemmen jener Hälfte der Klemmrollen zwischen Hohlrad und Schraubenfeder, die (drehrichtungsabhängig) in Richtung keilartiger Flanke der Tasche 5 getrieben wird. Die dabei entstehende Normalkraft auf die (Hertzschen) Berührungsflächen von je zwei gegeneinander abrollenden Komponenten bewirkt einerseits, dass der Andruckerzeuger aus Hohlrad, Klemmrollen und Abrollkörper zu einem annähernd starren Körper werden, andererseits Andruck und damit Vermeidung von Schlupf zwischen den Planeten und dem Sonnenrad. Damit dieser Andruck nicht in unerwünschter Weise von den Achsen des Planetenträgers aufgenommen wird, ist – bei dieser einfachen Ausführung – radiale Beweglichkeit der Planeten durch leichtes Spiel gegen die Planetenachsen des Planetenträgers vorgesehen.
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Das Getriebe ist spielfrei, weil auch die unbelastete Hälfte der Klemmrollen 21 durch die Blattfedern 22 nie den Kontakt zu den Taschen 5 und zur Schraubenfeder 31 verliert. Bei Drehrichtungsumkehr erfolgt das Verklemmen der vorher unbelasteten Klemmrollen 21 also ohne merkliche Relativbewegung zwischen Schraubenfeder und Hohlrad. Da die Klemmung von der Tangentialkraft an den Klemmrollen und damit vom Drehmoment herrührt, ist die Andruckvorrichtung nicht nur spielfrei, sondern – wie erwünscht – auch lastabhängig.
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Die beschriebene Andruckvorrichtung läßt sich exemplarisch aber auch zwischen Sonnenrad und den Planeten unterbringen, wie die Ausführung in den 3 bis 5 zeigt. Das Sonnenrad 51 als Andruckbasis weist an seiner radialen Außenseite Taschen 52 auf, in denen die Klemmrollen 71 der Klemmrolleneinheit 70 als Teil des Andruckerzeugers 60 liegen. Der Abrollkörper 80 innerhalb der Planeten 53 besteht auch hier aus einer Schraubenfeder 81, das Hohlrad 55 berührt die Planeten außen. 4 stellt das Sonnenrad 51 mit Sonnenwelle, die Klemmrollen 71 und die vorgespannte Schraubenfeder 81 dar, wie sie im eingebauten Zustand zu sehen wäre. In 5 ist jedoch ersichtlich, dass die Schraubenfeder 81 im entspannten Zustand an beiden Randzonen kleineren Durchmesser aufweist als dazwischen. Die Randzonen dienen nämlich als Klemmrollenspanner, welche die Klemmrollen 71 radial in die Taschen 52 des Sonnenrades 51 drücken, während der mittlere Teil die Funktion des Abrollkörpers 80 wahrnimmt, also radial nach außen an die Planeten 53 drückt. Der Durchmesser im eingebauten (vorgespannten) Zustand liegt also zwischen dem der entspannten Randzonen und dem des entspannten Bereichs dazwischen. Eine derartige Vereinfachung durch Integration des Klemmrollenspanners in die Schraubenfeder 81 des Abrollkörpers ist lediglich bei Andruckerzeugern möglich, bei denen jede Klemmrolle für Klemmung in beiden Drehrichtungen dient. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass bei gleichbleibender Belastbarkeit nur die Hälfte von Klemmrollen erforderlich ist oder umgekehrt, die Belastbarkeit verdoppelt wird, wenn man die Anzahl nicht halbiert. Aufgrund unvermeidlicher Fertigungstoleranzen bzw. Verschleiß ist ein spielfreier Betrieb bei dieser Bauart jedoch nicht möglich.
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6 zeigt einen Schnitt durch einen Fahrrad-Radnabenantrieb mit einem einstufigen 10:1 Reibrollen-Untersetzungsgetriebe, für das der exemplarische Andruckerzeuger 130 sehr gut geeignet ist. Dieser besteht aus Hohlrad 131 als Andruckbasis, der Klemmkörpereinheit 140 und dem Abrollkörper 150. Die Klemmkörpereinheit ist in die Klemmkörper 141, den Klemmkörperkäfig 142 und den so genannten Klemmkörpervorspanner 143 unterteilt. Der Abrollkörper 150 beinhaltet auch in dieser Ausführung nur eine Schraubenfeder 151.
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Ein Elektromotor 100 besteht aus einem Stator 101 mit Wicklungen 102, einem Rotor-Permanentmagneten 103 und einer Antriebswelle 104, die starr mit dem Rotor-Permanentmagneten verbunden ist. Die Antriebswelle 104 dient dem Getriebe als Sonnenwelle, die das Sonnenrad 105 als Andruckaufnehmer trägt. Das Sonnenrad 105 treibt unter radialem Kontakt drei als Reibrollen ausgeführte Planeten 106 auf einem Planetenträger 110 an, der eine starre Verbindung aus Planetenkäfig 111, Gehäuse 112 und Gehäusedeckel 113 ist. Der Planetenträger 110 mit seinem Gehäuse 112 ist die Abtriebswelle des Radnabenantriebs und über die Fahrradspeichen mit der Felge des Fahrrad-Rades starr verbunden. Das Hohlrad 131 ist starr mit dem Fahrradrahmen verbunden. Zwischen Hohlrad 131 und den Planeten 106 befindet sich eine – dem Stand der Technik entsprechende – Klemmkörpereinheit 140, bestehend aus einer Anzahl von Klemmkörpern 141, einem Klemmkörperkäfig 142 (7) – ähnlich einem Wälzlagerkäfig – und einem Federring 143 als Klemmkörpervorspanner. Der Abrollkörper 150 besteht in dieser bevorzugten Ausführung nur aus einer Schraubenfeder 151 mit rechteckigem Federdrahtquerschnitt. Der Abrollkörper 150 ist bei Klemmung durch die Andruckvorrichtung – abgesehen von geringfügigem Schlupf – zumindest in einer Drehrichtung, verdrehfest mit dem Hohlrad 131 verbunden. Er bildet an seiner Innenseite die Abrollbahn der Planeten. Durch das Abrollen der Planeten auf dem rotierenden Sonnenrad und an der Innenseite des fahrzeugfesten Abrollkörpers bewegt sich der Planetenträger 110, also die Abtriebswelle, in der von Planetengetrieben erwarteten Weise.
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7 zeigt den exemplarischen Radnabenantrieb mit ausgeblendetem Gehäuse 112 und aufgeschnittenem Hohlrad 131 in isometrischer Darstellung.
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8 ist ein Detail der 6 im Bereich des Andruckerzeugers 130 und beinhaltet zwei Schnittführungen A-A und B-B von Querschnitten des Andruckerzeugers in den 9 bis 12.
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9 zeigt den Querschnitt A-A durch den Andruckerzeuger des Radnabenantriebes mit unidirektionaler Klemmung (Freilauf). Die Klemmkörper 141 weisen – wie bei handelsüblichen Klemmkörpern – die Querschnittsform einer logarithmischen Spirale auf. Die Klemmung erfolgt in Verbindung mit Haftreibung durch geringfügige Drehung des Klemmkörpers, wenn das Hohlrad 131 in jene Richtung gegen die Schraubenfeder 151 verdreht wird, dass der Abstand der Berührungspunkte zwischen Klemmkörper und Hohlrad 131 einerseits und zwischen Klemmkörper und Schraubenfeder 151 andererseits größer wird. In umgekehrter Drehrichtung wird die Klemmung aufgehoben, das Hohlrad 131 und die Schraubenfeder 151 gleiten nahezu reibungsfrei gegeneinander und die Kontakte zwischen Hohlrad, Klemmkörper und Schraubenfeder werden nur noch durch die Vorspannung mittels Federring 143 (7) aufrecht erhalten.
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10 zeigt Teile einer Klemmkörpereinheit 145 für bidirektionale Klemmung, die als modifizierte Ausführung aus der Klemmkörpereinheit 140 hervorgeht. Sie entspricht ebenfalls dem Stand der Technik, weist doppelt so viele Klemmkörper 146 gegenüber der unidirektionalen Ausführung auf, folglich auch doppelt so viele Ausnehmungen im Klemmkörperkäfig 147, der in 10 weggelassen wurde. Die Hälfte der Klemmkörper 146 ist gegen die benachbarten Klemmkörper so verdreht, dass sie eingebaut, im Querschnitt, spiegelbildlich zum benachbarten Klemmkörper erscheinen. Damit erfolgt die Klemmung auch in der entgegengesetzten Drehrichtung. Der Federring 148 läuft durch eine Nut in den Klemmkörpern 146 und drückt durch radiale Vorspannung die Klemmkörper zusammen.
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11 (bidirektional) entspricht der 9 (unidirektional).
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In 12 wird der Querschnitt der Schnittführung B-B aus 8 durch den bidirektionalen Andruckerzeuger aufgezeigt, um die Funktion des Federrings 148 als Klemmkörpervorspanner zu veranschaulichen. In der Nut der Klemmkörper 146 gibt es eine exzentrisch gelegene Nase 149, wo die Berührung zwischen Federring 148 und Klemmkörper stattfindet. Das Bestreben des Federrings, sich radial zusammen zu ziehen, verursacht ein Drehmoment auf den Klemmkörper, dessen Richtung davon abhängt, ob die Nase links oder rechts vom Drehpunkt des Klemmkörpers liegt. (Analoges gilt für den Federring 143 und die Klemmkörper 141 bei der unidirektionalen Ausführung.)
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Bei dieser einfachen Ausführung eines Reibrollengetriebes wird – wie schon in den vorigen Ausführungen – sicherer Andruck zwischen Abrollkörper 140, Planeten 106 und Sonnenrad 105 dadurch erreicht, dass die Planeten gegen ihre (Planeten-)Achsen ein gewisses Spiel aufweisen und dadurch (auch) radial zur Getriebehauptachse 160 (6) beweglich sind.
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Eine erfindungsgemäße bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Andruckvorrichtung ist in einem Roboterantrieb mit Differenzial-Umlauf-Reibrollengetriebe und einem Untersetzungsverhältnis von 1:500 durch die 13 bis 18 dargestellt. An den hoch belasteten Teilen kommt ein Keilrippenprofil zum Einsatz. Die wesentlichen Komponenten sind aus der Explosionszeichnung 13 ersichtlich. Der Andruckerzeuger 220 besteht hier neben dem Hohlrad 201 als Andruckbasis aus den Unterbaugruppen Klemmrolleneinheit 230 und Abrollkörper 240. Die Klemmrolleneinheit ist in die Klemmrollen 231 und den Klemmrollenvorspanner 232 unterteilt. Der Abrollkörper 240 beinhaltet das Rohr 241 und zwei Federringe 242.
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Das Hohlrad 201 ist eine der beiden Abtriebswellen des Robotergelenks, die zweite Abtriebswelle 205 wird gegen 201 mit einem Vierpunktlager aus den Lagerkugeln 206 verbunden, das radiale und axiale Lasten des Robotergelenks aufnimmt. Der Außenläufer 207 des Elektromotors, der starr mit Permanentmagneten 208 an der Innenseite verbunden ist, dient als Sonnenwelle mit Sonnenrad und als partieller Andruckaufnehmer für das Getriebe. Um das Sonnenrad ist ein Planetenträger 210 angeordnet, bestehend aus einer Anzahl von Planetenachsen 211, Wälzlagern 212, den teilweise mehrfach vorhandenen Reibrollen- und Stützrollen-Planeten 213, 214, 215 mit unterschiedlichem Abständen von der Getriebehauptachse 250 (14), sowie den Achsträgern 216. Die Planeten werden nach dem Zusammenbau von einem dünnwandigen, radial nachgiebigen Rohr 241, das einen Befestigungsflansch aufweist, stramm umschlungen. Das Rohr 241 weist an einem Teil seiner radialen Außenseite ein Keilrippenprofil 280 auf, das Rippen in Abrollrichtung bildet, und ist Teil des Abrollkörpers 240, der im Weiteren auch die beiden Federringe 242 beinhaltet. Die beiden Federringe 242 verfügen innen und außen über ebensolche Keilrippen 280. Eine Klemmrolleneinheit 230 aus Klemmrollen 231, die in größtmöglicher Anzahl um die Federringe 242 platziert sind, und ein Klemmrollenvorspanner 232 in Form einer radial komprimierbaren Spiralfeder sorgen für permanenten radialen Vorandruck der Klemmrollen an die Taschen 209 an der Innenseite des Hohlrades 201 als Andruckbasis. Der Klemmrollenvorspanner ist in dem Spalt angeordnet, den beide Federringe 242 durch ihren axialen Abstand voneinander frei lassen und im eingebauten Zustand zwischen den Klemmrollen 231 und dem Rohr 241 radial verspannt. Klemmrollen und die Taschen 209 im Hohlrad sind ebenso mit Keilrippen 280 versehen wie die Federringe 242 und ein Teil der Außenseite des Rohres 241.
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14 zeigt den Zusammenbau der Komponenten aus 13 als Längsschnitt. Darin sind zusätzlich der Statorträger 202 sichtbar, der mit dem Stator 203 des eisenlosen Außenläufermotors, den Statorwicklungen 204 und dem Hohlrad 201 starr verbunden ist. Außerdem ist ein Sicherungsrohr 243 aus Kunststoff, das den Planetenträger 210 axial sichert, das als Schwingungsdämpfer für das dünnwandige Rohr 241 dient und das gemeinsam mit dem Rohr 241 durch eine Anzahl von Bolzen 244 starr mit der Abtriebswelle 205 verbunden ist, sichtbar.
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15 ist ein Gesamtquerschnitt durch den Roboterantrieb, anhand von 16 läßt sich die Funktionsweise des Getriebes näher erkennen: Das Hohlrad 201 als Andruckbasis, die Klemmrollen 231 und die Federringe 242 bilden im geklemmten Zustand zusammen ein annähernd starres Gebilde mit der Funktion einer der beiden Abtriebswellen. Bei Rotation des Sonnenrades 207 rotiert infolge der Klemmung durch die Andruckeinheit auch der Planetenträger 210 und bewirkt das Abrollen der Planeten 213, 214 an der Innenseite des radial flexiblen Rohres 241.
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Wie in 16 deutlicher sichtbar als in 15, ist der Außenumfang des Rohres 241 im entspannten Zustand offenbar geringfügig kleiner als der Innenumfang der Federringe 242. Durch die stramme Umschlingung des Rohres 241 um die Planeten beult sich das Rohr an den Kontaktbereichen K mit den Planeten radial geringfügig aus, während es zwischen den Kontaktbereichen KK radial geringfügig einfällt. Die (geringe) Differenz zwischen Außenumfang des Rohres 241 und Innenumfang der Federringe 242 bewirkt daher eine (ebenso geringe) Relativbewegung um die Getriebehauptachse 250 (14) zwischen Hohlrad 201 und Rohr 241, das ja starr mit der Abtriebswelle 205 (14) verbunden ist. Dieses Prinzip ist vom Harmonic Drive bekannt, es existieren auch Beschreibungen von Reibrollengetrieben ähnlicher Bauart.
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Bei hochbelasteten Planeten-Reibrollengetrieben besteht – wie schon gesagt – die Gefahr des Blockierens, wenn die Anordnung kinematische Überbestimmtheit aufweist. Diese kommt beispielsweise dadurch zustande, dass Planeten, die idealer Weise gleichen Außendurchmesser besitzen, durch unvermeidliche Fertigungstoleranzen von dieser Forderung abweichen. Um kein Schmiermittel einsetzen zu müssen, die den Reibungskoeffizienten der aufeinander abrollenden Komponenten und damit die Belastbarkeit des Getriebes vermindern würden, empfiehlt sich ein möglichst hoher Entkopplungsgrad unter den Bauteilen.
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16 zeigt, dass in der vorliegenden Ausführung der Erfindung aus Entkopplungsgründen das Sonnenrad 207 daher nur einen Planeten treibt, den Planeten 213, während die Mehrzahl der Planeten, nämlich die Planeten 214 in einem geringen Abstand zum Sonnenrad angebracht sind. Deren radiale Andruckkraft von außen ist daher von den Planetenachsen 211 als Andruckaufnehmer des Planetenträgers 210 aufzunehmen – was auch den Einsatz von Wälzlagern 212 an den Achsen des Planetenträgers begründet. Die u. U. unterschiedliche Drehzahl der einzelnen Planeten 214 wird dadurch nur vom Abrollen an den Federringen 242 bestimmt. Die Momentübertragung von Sonnenrad 207 auf die Planeten nur über den Planeten 213 ist deshalb nicht nachteilig, weil das schnell laufende Sonnenrad auch bei herkömmlichen Differenzial-Untersetzungsgetrieben nur wenig Moment an die Planeten überträgt – nämlich das zu vervielfachende Antriebsmoment. Das ist auch der Grund, dass weder das Sonnenrad 207 noch die Planeten 213, 214, 215 sowie die Innenseite des Rohres 241 Keilrippen benötigen- und haben.
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17 offenbart, dass die beiden noch zu beschreibenden Planeten 215 keinen Kontakt zu dem dünnwandigen Rohr 241 aufweisen. Sie nehmen den radialen Andruck des Planeten 213 auf das Sonnenrad 207 auf, stützen und zentrieren dieses dadurch. Voraussetzung für diesen Andruck ist die – bezogen auf die Getriebehauptachse radiale Beweglichkeit des Planeten 213, der durch Langlöcher 217 (13) in den Achsträgern 216 (13) des Planetenträgers 210 hergestellt wird.
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Die Überlegung zur beschriebenen Entkopplung der Planeten gegen das Sonnenrad, welche Momentübertragung nur über einen Planeten 213 nahelegt, führt zu zwei erfindungsgemäßen Unterausführungen der Anordnung in 18. Hier entfallen das Sonnenrad 207 und der darin integrierte Außenläufermotor 203, 204. In der einen Unterausführung wird der Planetenträger 210 nur über einen Planeten 261 mittels Riemen- oder Kettentrieb 262 von einer Antriebswelle 263 bewegt. In der anderen Unterausführung treibt eine weichelastische Reibrolle 271 auf einer Antriebswelle 272 den Planetenträger 210 direkt. In beiden Fällen können die Planeten 215 entfallen und schaffen Platz für zwei weitere Planeten 214.
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Noch in 16 ist ein Spalt S zwischen den Klemmrollen 231 und den Taschen 209 rechts neben den Klemmrollen zu sehen, während die Klemmrollen an der linken Seite der Tasche in einem definierten Winkel an der Tasche anliegen. Bei Drehrichtungsumkehr wandert der Spalt auf die andere Seite, was einem Spiel zwischen Hohlrad 201 als erster Abtriebswelle und Abtriebswelle 205 von wenigen Zehntelgrad entspricht. Dieser kleine Nachteil bringt aber eine Verdopplung der Belastbarkeit, wie schon in der Ausführung nach 3 bis 5 beschrieben.
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Spielfreie Getriebe sind für manche Anwendungen in der Robotik unerläßlich, für andere Anwendungen jedoch nebensächlich. Für einen Roboterarm auf einem kleinen Transportwagen, der Gegenstände aufnimmt und abgibt, ist es unerheblich, ob die Gegenstände 2 mm neben der Sollposition zu liegen kommen oder nicht.
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Drehumkehrspiel tritt nur bei Lastwechsel auf. Präzisere Handhabungen können trotz Gelenkspiels eines Roboterarms programmiertechnisch oft durch Wahl von lastwechselfreien Trajektorien durchgeführt werden. Auch gibt es Roboter-Software mit eingebauter Spielkorrektur, darin werden – mit entsprechender Sensorik – Lastwechsel durch Sprünge der zu regelnden Ist-Größe detektiert. Um bei Lastwechsel Sprünge der Regelgröße zu vermeiden, korrigiert man die Soll-Größe um den Wert des aufgetretenen Ist-Größen-Sprunges.
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Wie schon erwähnt, sind alle hoch belasteten Abrollkomponenten der erfindungsgemäßen Ausführung in den 13 bis 18 mit Keilrippen versehen. Zwei aufeinander abrollende Reibrollen berühren sich üblicherweise entlang einer Linie der Berührungslänge l. Um mit einer Reibungskraft R Drehmoment zu übertragen, ist gemäß Coulomb je nach Größe des Haftreibungskoeffizienten µ der Materialpaarung eine Normalkraft N N = R / μ erforderlich. Ersetzt man Rollen mit einem zylindrischen Mantel durch Rollen mit einem Keilrippenprofil, wird – wie bei handelsüblichen Keilrippenriemen – μKeilrippen = μ / sinβ als fiktiver Ersatz-Reibungskoeffizient mit β als halbem Keilwinkel. Dadurch wird die Reibungskraft RKeilrippen = R / sinβ, und das übertragbare Drehmoment nimmt deutlich zu, obwohl die bei Reibrollengetrieben wesentliche Belastungsgrenze durch die Hertzsche Pressung gegenüber nicht verrippten Rollen gleich bleibt.
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Die zulässige Hertzsche Pressung beträgt
- E
- E-Modul (Stahl 210000N/mm2),
- r
- Ersatz-Rollenradius mit
- r1
- Radius Rolle 1,
- r2
- Radius Rolle 2 und
- l
- Zylinderlänge, Berührungslänge,
- v
- Querkontraktionszahl (= 0,3).
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Daraus ergibt sich, dass die Normalkraft N bei konstanter Hertzpressung in linearem Zusammenhang zu r und l steht. Unter der Voraussetzung, dass die Summe lKeilrippen der Berührungslängen an den Keilrippenflanken gleich der Berührungslänge l der unverrippten Rollen ist, ergibt sich beim Einsatz von Keilrippenrollen eine zulässige Drehmomentsteigerung von 1 / sinβ.
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In Zahlen bedeutet dies, dass ein Keilrippenprofil mit einem Keilwinkel von 20° die Belastbarkeit eines Reibrollengetriebes theoretisch um das 5,76-fache steigern kann. Mit einem sicheren Haftreibungskoeffizienten µ von 0,1 für Stahl gegen Stahl, ungeschmiert, erreicht man mit Keilwinkel 20°ein µKeilrippen = 0,576, was den in der Literatur mit Faktor 10 angegebenen Gewichtsvorsprung von Zahnradgetrieben gegenüber Reibrollengetrieben deutlich verringert.
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Fügt man einem Reibrollen-Umlauf-Getriebe noch einige Planeten hinzu, verringert sich dieser Vorsprung noch weiter, weil man bei Zahnrad-Planetengetrieben Planeten nicht einfach hinzufügen kann, ohne Probleme mit den rationalen Zähnezahlverhältnissen zu bekommen. Dieses gilt speziell bei hochuntersetzenden Wolfrom-Getrieben.
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Der beispielhaft angegebene Ersatz-Haftreibungskoeffizient für Getriebe mit Keilrippen µKeilrippen = 0,576 führt zu einem Haftgrenzwinkel von arctan (µKeilrippen) = 29,94°. Ein Winkel α, der doppelt so groß wie dieser Wert ist, ist zwischen den beiden Tangenten T1 und T2 in 16 bei Klemmrollen mit Keilrippen zulässig. Das ist deutlich größer als man bei üblichen Klemmrollen erwartet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sonnenrad, Sonnenwelle, Andruckaufnehmer
- 2
- Planeten
- 3
- Planetenträger mit Planetenachsen
- 4
- Hohlrad, Andruckbasis
- 5
- Taschen (im Hohlrad)
- 10
- Andruckerzeuger
- 20
- Klemmrolleneinheit
- 21
- Klemmrollen als Klemmelemente
- 22
- Blattfeder, Klemmrollenvorspanner
- 30
- Abrollkörper
- 31
- Schraubenfeder
- 51
- Sonnenrad, Sonnenwelle, Andruckbasis
- 52
- Taschen (im Sonnenrad)
- 53
- Planeten
- 54
- Planetenträger mit Planetenachsen
- 55
- Hohlrad, Andruckaufnehmer
- 60
- Andruckerzeuger
- 70
- Klemmrolleneinheit
- 71
- Klemmrollen als Klemmelemente
- 80
- Abrollkörper
- 81
- Schraubenfeder, Klemmrollenvorspanner
- 100
- Elektromotor
- 101
- Stator
- 102
- Wicklungen
- 103
- Rotor-Permanentmagnet
- 104
- Antriebswelle, Sonnenwelle
- 105
- integriertes Sonnenrad, Andruckaufnehmer
- 106
- Planeten
- 110
- Planetenträger, Abtriebswelle
- 111
- Planetenkäfig mit Planetenachsen
- 112
- Gehäuse
- 113
- Gehäusedeckel
- 130
- Andruckerzeuger
- 131
- Hohlrad, Andruckbasis
- 140
- Klemmkörpereinheit (unidirektional)
- 141
- Klemmkörper als Klemmelemente
- 142
- Klemmkörperkäfig
- 143
- Klemmkörpervorspanner, Federring
- 145
- Klemmkörpereinheit (bidirektional)
- 146
- Klemmkörper als Klemmelemente
- 147
- Klemmkörperkäfig
- 148
- Klemmkörpervorspanner, Federring
- 149
- Nase
- 150
- Abrollkörper
- 151
- Schraubenfeder
- 160
- Getriebehauptachse
- 201
- Hohlrad, Abtriebswelle, Andruckbasis
- 202
- Statorträger
- 203
- Stator
- 204
- Statorwicklungen
- 205
- Abtriebswelle
- 206
- Lagerkugeln
- 207
- Außenläufer, Sonnenrad, Andruckaufnehmer
- 208
- Permanentmagnet
- 209
- Taschen (im Hohlrad)
- 210
- Planetenträger
- 211
- Planetenachsen, Andruckaufnehmer
- 212
- Wälzlager
- 213
- Planet
- 214
- Planeten
- 215
- Planeten
- 216
- Planetenachsträger
- 217
- Langloch
- 220
- Andruckerzeuger
- 230
- Klemmrolleneinheit
- 231
- Klemmrollen als Klemmelemente
- 232
- Klemmrollenvorspanner, Spiralfeder
- 240
- Abrollkörper
- 241
- Rohr
- 242
- Federringe
- 243
- Sicherungsrohr
- 244
- Bolzen
- 250
- Getriebehauptachse
- 261
- Planet
- 262
- Riementrieb, Kettentrieb
- 263
- Antriebswelle
- 271
- weichelastische Reibrolle
- 272
- Antriebswelle
- 280
- Keilrippen
- A-A
- Schnittführung (8)
- B-B
- Schnittführung (8)
- C-C
- Schnittführung (14)
- K
- Kontaktbereiche (16)
- KK
- Bereiche zwischen den Kontaktbereichen (16)
- S
- Spalt
- T1
- Tangente
- T2
- Tangente
- α
- Winkel zwischen T1 und T2
