DE102015108477B4 - Zahnradmotoreinheit mit Funktion zur Beschränkung einer Axiallast - Google Patents

Abstract

Zahnradmotoreinheit (10), umfassend:einen Elektromotor (12); ein Zahnrad (16), das so mit dem Elektromotor verbunden ist, dass eine Axiallast auf den Elektromotor ausgeübt wird, wenn ein Drehmoment übertragen wird; undeinen Steuerabschnitt (18), der den Elektromotor steuert, wobei der Steuerabschnitt Folgendes umfasst:einen Teil (20) zum Erlangen einer Axiallast, der eine Axiallast des Elektromotors erlangt;einen Teil (22) zum Speichern einer kritischen Axiallast, der eine kritische Axiallast des Elektromotors speichert; undeinen Teil (24) zum Begrenzen eines Drehmoments, der das Drehmoment des Elektromotors elektrisch begrenzt,wenn die Axiallast des Elektromotors, die durch den Teil zum Erlangen der Axiallast erlangt wird, die kritische Axiallast des Elektromotors, die in dem Teil zum Speichern der kritischen Axiallast gespeichert ist, übersteigt;wobei der Teil zum Erlangen der Axiallast die Axiallast des Elektromotors auf Basis des Drehmoments des Elektromotors, das durch den Steuerabschnitt erlangt wird, und Informationen hinsichtlich einer Abmessung des Zahnrads berechnet;wobei die Informationen eine Schrägungsrichtung und eine Zahnanzahl des Zahnrades umfassen.

Description

• ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• 1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zahnradmotor mit einer Funktion zur Beschränkung einer Axiallast, die auf einen Motor ausgeübt wird, wenn Kraft über ein Zahnrad zu dem Motor übertragen wird.
• 2. Beschreibung des Stands der Technik
• In einem Elektromotor, der einen Aufbau aufweist, um eine konstante Vorspannung auf ein Lager zum Halten eines Rotors anzulegen, kann der Rotor fluktuieren, wenn keine Vorspannung auf das Lager ausgeübt wird, und kann der Motor als Resultat beschädigt oder zerstört werden. Bei einem Zahnradmotor, bei dem ein Zahnrad an einem Elektromotor angebracht ist, kann abhängig von der Art des Zahnrads infolge der Drehung des Motors eine Axiallast in einer derartigen Richtung erzeugt werden, dass die Vorspannung ausgelöscht wird. Wenn die erzeugte Axiallast größer als ein zulässiges Drehmoment ist, kann die Steifigkeit des Motors herabgesetzt werden und kann der Motor infolge einer Störung fluktuieren, wodurch der Motor beschädigt werden kann.
• Herkömmlich wurde eine Technik vorgeschlagen, um einen Zahnradmotor vor einer Axiallast, die größer als ein zulässiges Drehmoment ist, zu schützen. Zum Beispiel offenbart JP 2003- 32 223 A eine Zahnradeinheit, wobei ein ringförmiger Vorsprung, der an einem Innenumfang einer Schaftöffnung eines Schrägstirnrads gebildet ist, mit einer Vertiefung, die an einem Außenumfang einer Antriebswelle, an der das Schrägstirnrad angebracht ist, gebildet ist, in Eingriff gebracht ist und der ringförmige Vorsprung von der Vertiefung gelöst wird, wenn die Kraft einer Axiallast einen bestimmten Grenzwert übersteigt.
• Ferner offenbart JP S60- 129 453 A ein Zahnradgetriebe zum Übertragen eines Drehmoments, indem Schrägstirnräder in Eingriff gebracht werden, wobei das Zahnradgetriebe eine Lastzelle umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine übermäßige Axialkraft infolge eines übermäßigen Drehmoments zu detektieren und ein Signal zum Anhalten des Betriebs zu senden.
• Bei der Zahnradeinheit von JP 2003- 32 223 A kann eine Beschädigung verhindert werden, indem das Schrägstirnrad von der Antriebswelle gelöst wird. Daher ist es nötig, das Schrägstirnrad erneut mit der Antriebswelle zusammenzusetzen, was mühsam ist. Andererseits wird bei dem Zahnradgetriebe von JP S60- 129 453 A der Betrieb einer Maschine, die das Zahnradgetriebe enthält, jedes Mal angehalten, wenn eine Axialkraft erzeugt wird, die größer als ein Grenzwert ist, was die Betriebsleistungsfähigkeit der Maschine verringern kann.
• Alternativ kann für eine Zahnradeinheit ein Drehmomentbegrenzer verwendet werden, durch den ein Drehmoment eines Elektromotors so begrenzt wird, dass eine darauf ausgeübte Last ein zulässiges Drehmoment nicht übersteigt. Doch in diesem Fall ist es nötig, zwischen dem Motor und einem Getriebe oder zwischen dem Getriebe und einem angetriebenen Objekt Platz zum Positionieren des Drehmomentbegrenzers vorzubereiten, was zu einem Anstieg der Größe der Einheit führt.
• Die DE 31 46 494 A1 und die US 4 487 270 A zeigen als nächstliegender Stand der Technik jeweils ein Elektrowerkzeug mit einer Drehmomentüberwachung, die als Messglied einen Drucksensor für die durch eine Schrägverzahnung der Motorwelle erzeugte Axialkraft verwendet.
• KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine kompakte Zahnradmotoreinheit bereitzustellen, die in der Lage ist, einen Elektromotor passend zu schützen, ohne Zahnräder voneinander zu lösen oder den Betrieb der Einheit zu unterbrechen, selbst wenn eine Axialkraft erzeugt wird, die größer als ein zulässiger Wert ist.
• Diese Aufgabe wird durch eine Zahnradmotoreinheit mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem abhängigen Anspruch. Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Zahnradmotoreinheit bereitgestellt, die einen Elektromotor; ein Zahnrad, das so mit dem Elektromotor verbunden ist, dass eine Axiallast auf den Elektromotor ausgeübt wird, wenn ein Drehmoment übertragen wird; und einen Steuerabschnitt, der den Elektromotor steuert, umfasst, wobei der Steuerabschnitt einen Teil zum Erlangen einer Axiallast, der eine Axiallast des Elektromotors erlangt; einen Teil zum Speichern einer kritischen Axiallast, der eine kritische Axiallast des Elektromotors speichert; und einen Teil zum Begrenzen eines Drehmoments, der das Drehmoment des Elektromotors elektrisch begrenzt, wenn die Axiallast des Elektromotors, die durch den Teil zum Erlangen der Axiallast erlangt wird, die kritische Axiallast des Elektromotors, die in dem Teil zum Speichern der kritischen Axiallast gespeichert ist, übersteigt, umfasst.
• Der Teil zum Erlangen der Axiallast berechnet die Axiallast des Elektromotors auf Basis des Drehmoments des Elektromotors, das durch den Steuerabschnitt erlangt wird, und Informationen hinsichtlich einer Abmessung des Zahnrads.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform speichert der Teil zum Speichern der kritischen Axiallast einen Wert der kritischen Axiallast, der abhängig von einer Modellbezeichnung oder einer Parameterzahl des Elektromotors vorherbestimmt ist.
• Figurenliste
• Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher werden, wobei
• 1 einen schematischen Aufbau einer Zahnradmotoreinheit nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
• 2 verschiedene Arten von Elektromotoren, die für die Zahnradmotoreinheit von 1 verwendet werden, zeigt und eine Tabelle zeigt, die eine kritische Axialbelastung jedes Elektromotors abhängig von seiner Art darstellt.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
• 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Zahnradmotoreinheit 10 nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Zahnradmotoreinheit 10 weist einen Elektromotor 12 und ein Zahnrad 16, das mit einer Antriebswelle 14 des Elektromotors 12 verbunden ist, auf. Das Zahnrad 16 kann ein Schrägstirnrad, ein gerades Kegelrad, ein Schneckenrad oder ein Schraubenrad usw. sein, und ist so ausgebildet, dass eine Kraft in der Achsenrichtung (oder eine Axialkraft), die auf den Elektromotor 12 ausgeübt wird, erzeugt wird, wenn ein Drehmoment des Elektromotors 10 zu einem angetriebenen Objekt (nicht gezeigt), das mit dem Zahnrad 16 in Eingriff steht, übertragen wird.
• Die Zahnradmotoreinheit 10 weist einen Steuerabschnitt 18 zum Steuern des Elektromotors 12 auf. Der Steuerabschnitt 18 verfügt über einen Teil 20 zum Erlangen einer Axiallast, der zu vorherbestimmten Zeitpunkten oder in vorherbestimmten Zeitabständen eine Axiallast des Elektromotors 12 erlangt; einen Teil 22 zum Speichern einer kritischen Axiallast, der eine kritische Axiallast des Elektromotors 12 speichert; und einen Teil 24 zum Begrenzen eines Drehmoments, der das Drehmoment des Elektromotors 12 elektrisch begrenzt, wenn die Axiallast des Elektromotors 12, die durch den Teil 20 zum Erlangen der Axiallast erlangt wird, die in dem Teil 22 zum Speichern der kritischen Axiallast gespeicherte kritische Axiallast übersteigt. Bei der Ausführungsform von 1 sendet der Teil 24 zum Begrenzen des Drehmoments in vorherbestimmten Zeitabständen einen Befehl für ein (normales) Drehmoment an einen Verstärker 26 des Elektromotors 12, oder sendet er einen Befehl für ein begrenztes Drehmoment an den Verstärker 26, wenn die Axiallast die in dem Teil 22 zum Speichern der Axiallast gespeicherte kritische Axiallast des Elektromotors 12 übersteigt.
• Außerdem kann die Zahnradmotoreinheit 10 einen Eingabeabschnitt 28 wie etwa eine Tastatur oder ein Touch-Panel usw. aufweisen, der in der Lage ist, durch einen Betreiber betätigt zu werden. In diesem Fall kann der Betreiber über den Eingabeabschnitt 28 verschiedene Informationen (zum Beispiel wie nachstehend erklärt die Art des Elektromotors) und/oder Befehle an den Steuerabschnitt 18 eingeben.
• Als nächstes wird ein Arbeitsbeispiel, bei dem der Teil 20 zum Erlangen der Axiallast die Axiallast des Elektromotors 12 erlangt, beschrieben werden. Wie in 1 gezeigt kann der Teil 20 zum Erlangen der Axiallast durch Verwenden eines Axiallastdetektors 30 (in der Zeichnung ist der Detektor 30 an der Antriebswelle 14 angebracht) zum Messen der Axiallast des Elektromotors 12 einen detektierten Wert (oder einen Ausgang) des Axiallastdetektors 30 als die auf den Motor ausgeübte Axiallast erlangen. Zudem kann für den Axiallastdetektor 30 ein im Handel erhältlicher Detektor verwendet werden.
• Alternativ kann der Teil 20 zum Erlangen der Axiallast die Axiallast Fx auf Basis von Informationen (Kennwerten) hinsichtlich der Abmessung des Zahnrads 16 und des Drehmoments T des Elektromotors 12, das durch den Steuerabschnitt 18 erlangt wird, berechnen und die berechnete Axiallast Fx als die Axiallast des Elektromotors 12 erlangen. Was dies betrifft, können die Informationen hinsichtlich des Zahnrads 16 die Art des Zahnrads und Kennwerte wie etwa eine Abmessung jedes Teils des Zahnrads enthalten. Konkret kann die Axiallast Fx im Hinblick auf das Schrägstirnrad, das gerade Kegelrad, das Schneckenrad und das Schraubenrad, die oben beschrieben wurden, jeweils unter Verwendung der folgenden Gleichungen (1) bis (4) berechnet werden. Als Drehmoment T kann ein Rückmeldungswert (oder ein detektierter Drehmomentwert), der verwendet wird, um den Elektromotor 12 zu steuern, verwendet werden, oder kann ein unter Verwendung notwendiger Informationen einschließlich eines Stromwerts, einer Drehfrequenz und eines Schlupfausmaßes berechneter Wert verwendet werden, oder kann ein Drehmomentbefehlswert für den Verstärker 26 verwendet werden.
• Die Bedeutungen der Zeichen in den Gleichungen (1) bis (4) lauten wie folgt. In dieser Hinsicht ist ein Vorzeichen (oder eine Richtung) der Axiallast durch eine Schrägungsrichtung des Zahnrads bestimmt.
• Reibungskoeffizient: µ
• Durchmesser des Teilkreises: d [mm]
• Flächenbreite: b [mm]
• Zahnanzahl: z
• Druckwinkel: α
• Schrägungswinkel: β
• normaler Druckwinkel: αn
• Modul: m [mm]
• Drehmoment: T [N'·m]
• Wenn das Zahnrad 16 ein Schrägstirnrad ist, gilt die Gleichung (1). $$\text{Fx}=\left(2000\times \text{T/d}\right)\times \text{tan}\left(\mathrm{\beta }\right)$$

  
• Wenn das Zahnrad 16 ein gerades Kegelrad ist, gilt die Gleichung (2). $$\text{Fx}=\left(2000\times \text{T/}\left(\text{d}-\text{b}\cdot \text{sin}({\text{tan}}^{-1}\left(\text{z}1/\text{z2}\right)\right)\right)\times \text{tan}\left(\mathrm{\alpha }\right)\times \text{sin}\left({\text{tan}}^{-1}\left(\text{z}1/\text{z2}\right)\right)$$

  
• Im Hinblick auf die Gleichung (2) bedeutet das Zeichen „z1“ die Zahnanzahl eines Antriebszahnrads (d.h., des Zahnrads 16, das an dem Elektromotor 12 angebracht ist), und das Zeichen „z2“ die Zahnanzahl eines angetriebenen Zahnrads (nicht gezeigt).
• Wenn das Zahnrad 16 ein Schneckenrad ist, gilt die Gleichung (3). $$\begin{array}{l}\text{Fx}=\left(2000\times \text{T/d}\right)\times \left(\text{cos}(\mathrm{\alpha }\text{n}\right)\times \text{cos}\left({\text{tan}}^{-1}\left(\text{mxz/d}\right)\right)-\mathrm{\mu }\cdot \text{sin}\left({\text{tan}}^{-1}\left(\text{mxz/d}\right)\right)/(\text{cos}\left(\mathrm{\alpha }\text{n}\right)\times \\ \text{sin}\left({\text{tan}}^{-1}\left(\text{mxz/d}\right)\right)-\mathrm{\mu }\cdot \text{cos}\left({\text{tan}}^{-1}\left(\text{mxz/d}\right)\right))\end{array}$$

  
• Wenn das Zahnrad 16 ein Schraubenrad ist, gilt die Gleichung (4). $$\text{Fx}=\left(2000\times \text{T/d}\right)\times \left(\text{cos}(\mathrm{\alpha }\text{n}\right)\times \text{sin}\left(\mathrm{\beta }\right)-\mathrm{\mu }\cdot \text{cos}\left(\mathrm{\beta }\right))/\left(\text{cos}(\mathrm{\alpha }\text{n}\right)\times \left(\text{cos}(\mathrm{\beta }\right)+\mathrm{\mu }\cdot \text{sin}\left(\mathrm{\beta }\right))$$

  
• Wie oben erklärt kann der Teil 20 zum Erlangen der Axiallast die Axiallast des Elektromotors 12 auf Basis der Informationen hinsichtlich des Zahnrads 16 und des Drehmoments des Elektromotors 12 erlangen (oder berechnen), ohne den wie in 1 gezeigten Axiallastdetektor 30 zu verwenden. Der Betreiber kann die Informationen hinsichtlich des Zahnrads 16 wie oben beschrieben über den Eingabeabschnitt 28 usw. in den Steuerabschnitt 18 eingeben. Alternativ können die Informationen hinsichtlich des Zahnrads 16 im Voraus in einer passenden Speichervorrichtung wie etwa einem Speicher usw. gespeichert sein, und kann der Teil 20 zum Erlangen der Axiallast dann, wenn der Betreiber die Art des Zahnrads bezeichnet (oder eingibt), die Informationen hinsichtlich des Zahnrads, die der bezeichneten Art entsprechen, aus der Speichervorrichtung extrahieren, um die Axiallast zu berechnen.
• Die kritische Axiallast, die in dem Teil 22 zum Speichern der kritischen Axiallast gespeichert ist, bedeutet einen Schwellenwert, der abhängig von der Art des Elektromotors 12 vorherbestimmt ist, wobei der Elektromotor 12 beschädigt oder zerstört werden kann, wenn die Axiallast, die auf den Elektromotor ausgeübt wird, den Schwellenwert übersteigt. Zum Beispiel kann wie in 2 gezeigt dann, wenn vier Motoren 32, 34, 38 und 38 als Motoren bestimmt sind, die auf den Elektromotor 12 von 1 angewendet werden können, im Hinblick auf jeden Motor eine Beziehung zwischen einer Modellbezeichnung (wie etwa „Modell A“ oder „Modell B“), einer Parameterzahl und einer kritischen Axiallast in dem Teil 22 zum Speichern der kritischen Axiallast gespeichert sein. Zum Beispiel kann die Beziehung durch eine Tabelle 40 dargestellt sein, die der Art jedes Motors entspricht. Aufgrund dessen kann dann, wenn der Betreiber unter Verwendung des Eingabeabschnitts 28 usw. die Art (die Modellbezeichnung oder die Parameterzahl) des Elektromotors 12 wählt und eingibt, die kritische Axiallast, die der Art des gewählten Motors entspricht, automatisch festgelegt oder bestimmt werden. Wenn zum Beispiel das Modell „B“ oder die Parameterzahl „2“ gewählt oder eingegeben wird, wird die kritische Axiallast automatisch auf 10 [N] festgelegt.
• Wie oben beschrieben kann beim Wählen der Art des Elektromotors die Modellbezeichnung des Elektromotors (wie etwa „Modell A“ oder „Modell B“) gewählt werden. Alternativ kann jeder Art des Elektromotors eine Modellnummer (oder Parameternummer) zugeteilt werden und die Modellnummer festgelegt oder gewählt werden, um die Art des Elektromotors zu wählen. Zudem kann der Betreiber einen Wert der kritischen Axiallast direkt so eingeben, dass die kritische Axiallast in dem Teil 22 zum Speichern der kritischen Axiallast gespeichert wird.
• Der Teil 24 zum Begrenzen des Drehmoments vergleicht die Axiallast des Elektromotors, die durch den Teil 20 zum Erlangen der Axiallast erlangt wird, und die kritische Axiallast des Elektromotors, die in dem Teil 22 zum Speichern der kritischen Axiallast gespeichert ist, zu vorherbestimmten Zeitpunkten oder in vorherbestimmten Zeitabständen. Dann, wenn die erhaltene Axiallast die gespeicherte kritische Axiallast übersteigt, begrenzt der Teil 24 zum Begrenzen des Drehmoments das Drehmoment des Elektromotors 12 (bei der veranschaulichten Ausführungsform sendet der Teil 24 zum Begrenzen des Drehmoments einen Drehmomentbefehl an den Verstärker 26, um das Drehmoment des Elektromotors 12 zu begrenzen) elektrisch so, dass die erlangte Axiallast die kritische Axiallast nicht übersteigt (oder sie unterschreitet). Zudem kann der Teil 24 zum Begrenzen des Drehmoments als Teil des Steuerabschnitts 18 gebildet sein und kann das Drehmoment des Elektromotors 12 somit rasch verringert werden, ohne einen Drehmomentbegrenzer usw. zu verwenden. Daher kann der Elektromotor 12 bei der vorliegenden Ausführungsform passend vor einer Überlastung geschützt werden, ohne das Zahnrad 16 von der Antriebswelle 14 zu lösen und ohne den Elektromotor 12 anzuhalten.
• Nach der vorliegenden Erfindung ist es nicht nötig, bestimmte Elemente voneinander zu trennen, um zu verhindern, dass der Motor durch eine übermäßige Axialbelastung beschädigt wird, so dass keine Wiederherstellungstätigkeit für den Motor nötig ist. Da das Drehmoment des Elektromotors so begrenzt wird, dass die Axiallast die kritische Axiallast nicht übersteigt, ist es nicht nötig, die Einheit (oder den Elektromotor) anzuhalten oder den Betrieb zu unterbrechen. Daher kann die Motoreinheit fortlaufend betrieben werden, wodurch die Produktivität der Einheit verbessert werden kann. Ferner kann das Drehmoment des Elektromotors elektrisch begrenzt werden, ohne einen Drehmomentbegrenzer usw. zu verwenden, kann die Anzahl der Einzelteile der Einheit verringert werden, und die Einheit kompakt ausgeführt werden.

Claims (2)

1. Zahnradmotoreinheit (10), umfassend: einen Elektromotor (12); ein Zahnrad (16), das so mit dem Elektromotor verbunden ist, dass eine Axiallast auf den Elektromotor ausgeübt wird, wenn ein Drehmoment übertragen wird; und einen Steuerabschnitt (18), der den Elektromotor steuert, wobei der Steuerabschnitt Folgendes umfasst: einen Teil (20) zum Erlangen einer Axiallast, der eine Axiallast des Elektromotors erlangt; einen Teil (22) zum Speichern einer kritischen Axiallast, der eine kritische Axiallast des Elektromotors speichert; und einen Teil (24) zum Begrenzen eines Drehmoments, der das Drehmoment des Elektromotors elektrisch begrenzt, wenn die Axiallast des Elektromotors, die durch den Teil zum Erlangen der Axiallast erlangt wird, die kritische Axiallast des Elektromotors, die in dem Teil zum Speichern der kritischen Axiallast gespeichert ist, übersteigt; wobei der Teil zum Erlangen der Axiallast die Axiallast des Elektromotors auf Basis des Drehmoments des Elektromotors, das durch den Steuerabschnitt erlangt wird, und Informationen hinsichtlich einer Abmessung des Zahnrads berechnet; wobei die Informationen eine Schrägungsrichtung und eine Zahnanzahl des Zahnrades umfassen.
2. Zahnradmotoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil zum Speichern der kritischen Axiallast einen Wert der kritischen Axiallast speichert, der abhängig von der Art des Elektromotors vorherbestimmt ist.

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