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Die Erfindung betrifft ein harmonisches Getriebe insbesondere für Aktuatoreinheiten der Robotik.
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Getriebemotoren stellen in der heutigen Automatisierungstechnik einen entscheidenden Anteil dar. Häufig werden Lorenzkraft-Aktuatoren mit Getrieben zusammen als kompakte Einheiten angeboten bzw. benötigt. Im Allgemeinen besteht eine Aktuatoreinheit grundsätzlich aus einem Energiewandler. Üblicherweise einem elektromagnetischen Energiewandler, einer Elektronik, einer Rotoranlage und durch die Verwendung von Getrieben bzw. Getriebestufen aus mindestens einer Abtriebslagerung.
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Ein übliches harmonisches Getriebe (bekannt aus beispielsweise
DE 102 15 596 B4 ) ist ein formschlüssiges Getriebe mit sehr wenig Spiel, einer relativ hohen Untersetzung (1:30 ... 1:160) und einer hohen Momentenübertragungsfähigkeit bei vergleichsweise sehr geringem Gewicht und Bauraum. Aus diesem Grund sind Aktuatoreinheiten, insbesondere in der Robotik, häufig mit diesen Getrieben ausgestattet.
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Die
DE 10 2010 031 340 A1 offenbart einen Lagerdeckel für ein Planetengetriebe.
Die
JP S63-297 840 A betrifft ein Planetenrad-Untersetzungsgetriebe zur Abbremsung der Drehung einer Eingangswelle und deren Übertragung auf eine Ausgangswelle durch Schwenken des Rades.
Die
JP H07-83 292 A offenbart eine becherförmige Wellengetriebevorrichtung 3 umfassend ein ringförmiges starres Innenzahnrad 31 mit einer Innenverzahnung 31a, ein becherförmiges flexibles Außenzahnrad 32 mit einer Außenverzahnung 32a, das auf der Innenseite davon angeordnet ist sowie einen elliptischen Wellengenerator 33. Ferner ist auf dem Außenumfang des starren Innenzahnrads 31 ein starrer Ring 35 in konzentrisch angeordnet. Der Ringkörper 35 ist so eingestellt, dass sein Innendurchmesser etwas größer ist als der Außendurchmesser des Innenzahnrads 31. Das ringförmige Element 35 ist mit Schraubendurchgangslöchern 41A bis 41F in regelmäßigen Winkelabständen in Umfangsrichtung versehen. Die Schraubenlöcher 42A bis 42F sind in dem Teil der äußeren Umfangsfläche des starren Innenzahnrads 31 ausgebildet, der diesen Schraubendurchgangslöchern entspricht. Die Schrauben 43A bis 43F werden durch die Schraubendurchgangslöcher eingeführt.
Die
DE 199 27 957 A1 offenbart eine Wellengetriebeeinrichtung 1 vom Topftyp. Die Wellengetriebeeinrichtung 1 der
DE 199 27 957 A1 weist ein topfförmiges, verformbares Zahnrad mit Außenverzahnung 4 auf, welches eine Nabe 43 aufweist, die an ihrer Außenumfangsfläche mit einem Außengewinde 43b versehen ist. Eine Ausgangswelle 6 ist an ihrer Endfläche mit einer ringförmigen Ausnehmung versehen, deren Innenumfangsfläche mit einem Innengewinde 61 versehen ist. Das Außengewinde 43b der Nabe 43 ist in das Innengewinde 61 der Ausgangswelle 6 geschraubt. Darüber hinaus werden Eintreibstifte 8 verwendet, um die Nabe 43 an der Ausgangswelle 6 zu befestigen. Infolgedessen ist das verformbare Zahnrad mit Außenverzahnung 4 fest mit der Ausgangswelle 6 verbunden.
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Harmonische Getriebe werden auch unter anderen Bezeichnungen gefasst. Diese können ebenfalls als Gleitkeilgetriebe Spannungswellengetriebe bzw. Wellgetriebe bezeichnet werden. Alternativ hierzu existiert die weit verbreitete Bezeichnung als Harmonic-Drive-Getriebe®, wobei es sich hierbei um eine Marke der Harmonic Drive AG handelt. Alle diese Bezeichnungen werden im Nachfolgenden synonym verwendet für das beanspruchte harmonische Getriebe. Bekannte harmonische Getriebe weisen ein Gehäuse auf, in dem ein angetriebenes elliptisches Scheibenelement angeordnet ist. Dieses elliptische Scheibenelement wird im Stand der Technik auch als Rotationsellipsoid oder Wavegenerator bezeichnet. Das elliptische Scheibenelement umgibt eine flexible Hülse (auch bezeichnet als Flexspline), die eine Außenverzahnung aufweist. Die flexible Hülse wird dabei von einem Außenring umgeben (auch bezeichnet als Circularspline) der eine Innenverzahnung aufweist, die in die Außenverzahnung der flexiblen Hülse eingreift. Dabei hat die Außenverzahnung der flexiblen Hülse weniger Zähne als die Innenverzahnung des Außenrings.
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Um ein Mitdrehen des Außenrings im Gehäuse zu verhindern, existieren Lösungen, bei denen der Außenring in das Gehäuse eingeklebt wird. Die rein verklebte Lösung findet immer häufiger Anwendung im industriellen Einsatz, wo es insbesondere auf Gewichtseinsparung ankommt.
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Insbesondere bei der Verwendung im Weltraum sind geklebte Paarungen, welche unter einer hohen Momentbelastung stehen, selten einsetzbar. Hier wird aufgrund der hohen geforderten Sicherheit und auch der extremen Temperaturbelastungen fast immer eine verschraubte Lösung des Getriebes verwendet. Hierdurch erhöht sich jedoch das Gewicht.
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Somit existieren für die Verbindung des Außenrings mit dem Gehäuse bei den bekannten harmonischen Getrieben eine erste Lösung, die eine sichere Verbindung gewährleistet bei erhöhtem Gewicht und eine zweite Lösung mit reduziertem Gewicht jedoch mit vergrößerter Störanfälligkeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein harmonisches Getriebe zu schaffen, bei dem eine sichere Verbindung des Außenrings mit dem Gehäuse gewährleistet wird bei einem reduzierten Gewicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein erfindungsgemäßes harmonisches Getriebe nach Anspruch 1.
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Erfindungsgemäß weist das harmonische Getriebe ein Gehäuse und ein im Gehäuse angeordnetes angetriebenes elliptisches Scheibenelement auf. Das elliptische Scheibenelement ist dabei von einer flexiblen Hülse umgeben, wobei die flexible Hülse eine Außenverzahnung aufweist. Die flexible Hülse wird von einem Außenring umgeben, wobei der Außenring eine in die Außenverzahnung der flexiblen Hülse eingreifende Innenverzahnung aufweist. Dabei weist der Außenring am zu einem Gehäuse weisenden Außenumfang mindestens eine Erhöhung auf, die in eine entsprechende Vertiefung im zum Außenring weisenden Innenumfang eines Gehäuses formschlüssig eingreift und liegt im Gehäuse formschlüssig an. Erfindungsgemäß ist der Außenring zusätzlich durch Verkleben im Gehäuse fixiert. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch eine axiale Bewegung des Außenrings im Gehäuse verhindert wird. Gleichzeitig wird hierdurch die Sicherheit erhöht, so dass die Zuverlässigkeit des harmonischen Getriebes weiter verbessert wird.
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Vorzugsweise weist der Außenring am zum Gehäuse weisenden Außenumfang mindestens eine Vertiefung auf, in die eine entsprechende Erhöhung im zum Außenring weisenden Innenumfang des einen Gehäuses formschlüssig eingreift.
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Somit weist der Außenring eine Struktur auf, die mit einer Struktur des Gehäuses derart zusammenwirkt, um ein Mitdrehen des Außenrings zu verhindern. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Außenring in seiner Position relativ zum Gehäuse feststeht. Durch das formschlüssige Eingreifen wird gleichzeitig sichergestellt, dass nur eine geringe bzw. keine Beweglichkeit des Außenrings besteht, so dass bspw. bei Lastwechseln diese unmittelbar vom Aktuator insbesondere ohne Schlupf weitergegeben werden können. Hierdurch wird ein harmonisches Getriebe mit sehr wenig Spiel und einer hohen Momentübertragungsfähigkeit geschaffen, welches ohne Verschraubung des Außenrings auskommt, wodurch Gewicht und Bauraum des harmonischen Getriebes reduziert werden können. Dies ist insbesondere erforderlich in der Robotik. Durch die sichere Verbindung des Außenrings mit dem Gehäuse wird ein zuverlässiges harmonisches Getriebe geschaffen, welches auch für den Einsatz im Weltraum geeignet ist.
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Insbesondere weist der Außenring eine Vielzahl an Vertiefungen bzw. Erhöhungen auf, in die eine entsprechende Anzahl an Erhöhungen bzw. Vertiefungen des Gehäuses eingreifen. Dabei kann der Außenring auch mindestens eine Vertiefung und ebenso mindestens eine Erhöhung aufweisen, so dass der Außenring sowohl gleichzeitig eine Vertiefung und eine Erhöhung aufweist. Vorzugsweise weist der Außenring weitere Vertiefungen und oder Erhöhungen auf.
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Vorzugsweise sind die Vertiefungen und/oder Erhöhungen symmetrisch entlang des Außenumfangs verteilt. Hierdurch wird sichergestellt, dass keine spezielle Orientierung des Außenrings zum Gehäuse erforderlich ist für den Einbau. Alternativ hierzu, falls eine solche Orientierung des Außenrings zum Gehäuse erforderlich ist, sind vorzugsweise die Vertiefungen und/oder Erhöhungen mit gebrochener Symmetrie entlang des Außenrings verteilt, so dass die Orientierung des Außenrings für den Einbau in das Gehäuse festgelegt ist.
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In einer Weiterbildung des Außenrings ist die Vertiefung als Rundkerbe ausgebildet. Die Rundkerbe weist dabei einen Radius auf, mit dem die Vertiefung ausgebildet ist, sowie einen Übergangsradius von dem Außenumfang des Außenrings hin zur Vertiefung. Durch die Ausbildung der Vertiefung als Rundkerbe werden stufenlose stetige Übergänge geschafften, so dass eine optimale Kraftwirkung erzielt werden kann.
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Insbesondere weist die Rundkerbe einen Radius von 0,5 bis 10 mm, bevorzugt von 1,5 bis 5 mm und besonders bevorzugt von 2 bis 3 mm auf. Hierbei beträgt das Verhältnis des Radius zum Durchmesser des Außenrings insbesondere 0,014 bis 0,286 und besonders bevorzugt 0,057 bis 0,085.
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Insbesondere betragen die Übergangsradien vom Außenumfang zur Rundkerbe 0 bis 8 mm, bevorzugt 2 bis 6 mm und besonders bevorzugt 4 bis 5 mm. Dabei beträgt vorzugsweise das Verhältnis der Übergangradien zum Durchmesser des Außenrings 0 bis 0,228, bevorzugt 0,057 bis 0,171 und besonders bevorzugt 0,114 bis 0,142.
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In einer Weiterbildung des Außenrings sind insbesondere die Vertiefungen und/oder Erhöhungen symmetrisch zu der 120 Grad-Teilung des Außenrings angeordnet, so dass der Außenring insgesamt sechs Vertiefungen und/oder Erhöhungen aufweist, die allesamt mit einem konstanten Abstand zur 120 Grad-Teilung angeordnet sind. Dabei beträgt der Abstand insbesondere 2 bis 12 mm, vorzugsweise 4 bis 8 mm und besonders bevorzugt 6 bis 7 mm. Hierdurch wird ein einfach zu fertigender Außenring mit einer optimalen Kraftübertragung geschaffen, welche ohne besondere Orientierung - abgesehen von der 120 Grad-Teilung - in das Gehäuse des harmonischen Getriebes eingebaut werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen gezeigt in den Figuren näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform eines harmonischen Getriebes in geschnittener Seitenansicht
- 2 eine Schnittansicht entlang der II-II Linie der 1
- 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Gehäuses und des Außenrings, und
- 4 eine weitere Ausführungsform des Gehäuses und des Außenrings, welche nicht Teil der Erfindung ist
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Das erfindungsgemäße harmonische Getriebe weist ein Gehäuse 10 auf, in dem ein elliptisches Scheibenelement 12 angeordnet ist. Das elliptische Scheibenelement 12 ist dabei umgeben von einer flexiblen Hülse 14. Die flexible Hülse 14 weist eine Außenverzahnung 16 auf. Die Außenverzahnung 16 greift in eine Innenverzahnung 18 eines die Flexible Hülse 14 umgebenden Außenrings 20 ein. Das elliptische Scheibenelement 12 wird dabei über eine Welle 22 von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben. Durch die Bewegung des elliptischen Scheibenelements 12 wird eine Drehung der flexiblen Hülse 14 erzeugt, durch die bspw. eine Roboterkinematik angetrieben werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Außenring 20 dabei eine Vielzahl von Vertiefungen 24 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Vertiefungen 24 vorgesehen. Es kann jedoch auch jede andere Zahl gewählt werden, einschließlich dem Vorsehen nur einer Vertiefung. Die Vertiefungen 24 sind dabei entlang dem Außenumfang 26 des Außenrings 20 angeordnet. Dabei sind die Vertiefungen 24 symmetrisch zu einer 120 Grad-Teilung 28 des Außenrings 20 angeordnet. Somit weist jede Vertiefung 24 zur 120 Grad-Teilung 28 denselben Abstand auf. Von dieser Verteilung kann selbstverständlich in beliebiger Weise abgewichen werden, hierdurch werden jedoch die Fertigung und auch der Zusammenbau des harmonischen Getriebes vereinfacht.
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In die Vertiefungen 24 greifen entsprechende Erhöhungen 30 des den Außenring 20 umgebenden Gehäuses 10 ein. Das Eingreifen erfolgt dabei formschlüssig, so dass eine Bewegung des Außenrings 20 relativ zum Gehäuse 10 verhindert wird.
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Entsprechend der erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt in 3 weist der Außenring 20 Erhöhungen 32 auf, die in entsprechende Vertiefungen 34 des Gehäuses 10 eingreifen. Auch eine Kombination von Erhöhungen und Vertiefungen am Außenring sind möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform, gezeigt in der 4, die nicht Teil der Erfindung ist weisen sowohl der Außenring als auch das Gehäuse 10 Vertiefungen 36, 38 auf, die gegenüberliegend angeordnet werden können. Dabei wird in dem von den Vertiefungen 36, 38 gebildeten Raum ein Fixierelement 40 angeordnet. Hierbei wird das Fixierelement 40 formschlüssig in den Vertiefungen 36, 38 angeordnet, so dass eine relative Bewegung des Außenrings 20 zum Gehäuse 10 verhindert wird.
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In den dargestellten Ausführungsformen sind die Vertiefungen 24, 34, 36, 38 als Rundkerben ausgebildet. Hiervon kann selbstverständlich abgewichen werden durch Vorsehen von bspw. pyramidenförmigen oder quaderförmigen Vertiefungen. Für eine möglichst effektive Kraftübertragung ist jedoch die Rundkerbe vorteilhaft, da hier bei großen Momenten nur eine geringe Kerbwirkung entsteht.
