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Die Erfindung betrifft ein formschlüssig arbeitendes, mechanisches Übersetzungsgetriebe nach der Lehre des Anspruchs 1. Gattungsgemäße Übersetzungsgetriebe weisen eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle auf, wobei Drehzahl und Drehmoment zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle in einem fest vorgegebenen Übersetzungsverhältnis übertragen werden. Die Übertragung erfolgt dabei durch Formschluss, so dass das Übersetzungsverhältnis nicht geändert werden kann. Charakteristisch für die gattungsgemäßen Übersetzungsgetriebe ist es, dass lediglich eine Übersetzungsstufe, beispielsweise zwei miteinander in Eingriff stehende Zahnräder mit unterschiedlichem Umfang vorhanden sind. Außerdem ist es charakteristisch, dass Antriebswelle und Abtriebswelle koaxial zueinander im oder am Gehäuse des Übersetzungsgetriebes drehbar gelagert sind. Durch die koaxiale Anordnung der Antriebswelle und der Abtriebswelle können solche Übersetzungsgetriebe sehr einfach und platzsparend in Antriebsstränge integriert werden. Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Gleitkeilgetriebe bekannt, die große Übersetzungsstufen ermöglichen. Nachteilig an diesen Gleitkeilgetrieben ist es, dass deren Herstellung sehr kostenaufwendig ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mechanisches Übersetzungsgetriebe mit nur einer möglichst großen Übersetzungsstufe vorzuschlagen, das eine koaxiale Anordnung von Antriebswelle und Abtriebswelle ermöglicht und dabei unter Verwendung einfacher Bauteile die Übertragung hoher Drehzahlen und großer Drehmomente zwischen Antriebs- und Abtriebswelle mit sehr hohen bzw. auch sehr kleinen Übersetzungsverhältnissen erlaubt und dabei kostengünstig hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Übersetzungsgetriebe nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Übersetzungsgetriebe umfasst ein Hohlrad mit einer am Innenumfang vorgesehenen Innenverzahnung. Dieses Hohlrad kann entweder mit der Antriebswelle oder der Abtriebswelle drehfest verbunden sein. Die gegenüberliegende Abtriebswelle oder Antriebswelle, die nicht mit dem Hohlrad verbunden ist, wird über einen Exzenter mit einer Exzenterwelle verbunden. Die Exzenterwelle ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass diese parallel zur Längsachse der koaxial angeordneten Antriebs- bzw. Abtriebswelle verläuft. Durch die Verbindung der Exzenterwelle mittels des Exzenters mit der zugeordneten Abtriebs- oder Antriebswelle wird dafür gesorgt, dass bei Rotation des Exzenters die Exzenterwelle auf einer Kreisbahn um die Längsachsen von Antriebswelle und Abtriebswelle geführt ist. Dies bedeutet also mit anderen Worten, dass die Exzenterwelle auf einer zylinderförmigen Bahn umläuft, wobei die Mittelachse dieser zylinderförmigen Bahn von der koaxialen Längsachse der Antriebs- bzw. Abtriebswelle gebildet wird.
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Auf der Exzenterwelle selbst ist ein Umlaufrad drehbar gelagert, das an seinem Außenumfang eine Außenverzahnung aufweist. Mittels dieser Außenverzahnung steht das Umlaufrad im formschlüssigen Eingriff mit der Innenverzahnung des Hohlrads. Um nun eine kinematisch eindeutige Übersetzung des Übersetzungsgetriebes zu realisieren ist es erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass das Umlaufrad mittels eines Verbindungselements am Gehäuse des Übersetzungsgetriebes gelagert ist. Dieses Verbindungselement ist dabei derart ausgestaltet, dass eine Rotation des Umlaufrads relativ zum Gehäuse ausgeschlossen ist. Dies bedeutet also mit anderen Worten, dass bei Bewegung der Exzenterwelle entlang der zylinderförmigen Bewegungsbahn das darauf drehbar gelagerte Umlaufrad in Gegenrichtung der Umlaufbewegung der Exzenterwelle rotiert, wobei die Drehzahl des Umlaufrads bei der Rotation um die Exzenterwelle gerade der Drehzahl der Exzenterwelle bei der Bewegung um die Koaxialachse entspricht, so dass sich im Ergebnis beide Drehbewegungen im Bezug auf das Gehäuse gegeneinander aufheben, und dadurch das Umlaufrad relativ zum Gehäuse keine Rotation um seine Mittelachse ausführt. Stattdessen wird das Umlaufrad ohne Eigenrotation zusammen mit der Exzenterwelle auf einer kreisförmigen Bahn um die Koaxialachse bewegt.
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Das erfindungsgemäße Übersetzungsgetriebe ist grundsätzlich in zwei verschiedenen Varianten denkbar. Gemäß der ersten Variante ist die Abtriebswelle drehfest mit dem Hohlrad verbunden, und die Antriebswelle treibt den Exzenter an. Alternativ dazu kann auch die Antriebswelle drehfest mit dem Hohlrad verbunden werden, so dass dann der Exzenter die Abtriebswelle antreibt.
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In welcher Weise das Verbindungselement zur Lagerung des Umlaufrads am Gehäuse ausgebildet ist, um eine Rotation des Umlaufrads relativ zum Gehäuse in erfindungsgemäßer Weise auszuschließen, ist grundsätzlich beliebig. Gemäß einer ersten mechanischen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Verbindungselement in der Art eines Kreuzschlittens mit zwei rechtwinklig zueinander axial verschiebbaren Schlittenelementen ausgebildet ist. Das erste Schlittenelement ist dabei axial verschiebbar am Gehäuse gelagert, so dass der erste Schlitten in einer Linearachse relativ zum Gehäuse verschoben werden kann. Das zweite Schlittenelement ist rechtwinklig dazu axial verschiebbar am ersten Schlittenelement gelagert, so dass das zweite Schlittenelement in einer zweiten Linearachse, die rechtwinklig zur ersten Linearachse verläuft, axial verschoben werden kann. Das zweite Schlittenelement seinerseits wird dann mit dem Umlaufrad verbunden. Durch den Kreuzschlitten, wie er aus Kreuzschiebekupplungen bekannt ist, wird dann gewährleistet, dass das Umlaufrad keine Eigenrotation um seine Mittelachse ausführen kann. Durch die Axialbewegungen der beiden Schlittenelemente ist es aber zugleich gewährleistet, dass das Umlaufrad zusammen mit der Exzenterwelle auf einer Kreisbahn um die Koaxialachse von Abtriebswelle und Antriebswelle umläuft.
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Bevorzugt sollte das zweite Schlittenelement mit einem Drehlager, das außerhalb der Drehachse des Umlaufrads angeordnet ist, mit dem Umlaufrad verbunden werden.
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Die kinematischen Verhältnisse des Übersetzungsgetriebes werden durch den Radius des Umlaufrads, den Radius des Hohlrads und den Radius der Kreisbahn, auf der die Exzenterwelle vom Exzenter um die koaxiale Längsachse von Antriebswelle und Abtriebswelle geführt ist, bestimmt. Bevorzugt sollte der Radius des Hohlrads so groß sein, dass er der Summe des Radius des Umlaufrads und des Radius der Kreisbahn, auf der die Exzenterwelle geführt wird, entspricht.
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Das Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle sollte bevorzugt dem Quotienten aus Radius des Umlaufrads durch die Differenz aus Radius des Hohlrads minus Radius des Umlaufrads entsprechen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Übersetzungsgetriebe in schematisierter, perspektivischer Ansicht;
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2 das Übersetzungsgetriebe gemäß 1 in schematisierter, seitlicher Ansicht;
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3 das Übersetzungsgetriebe gemäß 1 in einer schematisierten Ansicht von vorne;
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4 das Übersetzungsgetriebe gemäß 3 nach Umlauf der Antriebswelle um 180°.
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1 zeigt ein mechanisches Übersetzungsgetriebe 01 in schematisierter perspektivischer Ansicht. Das Gehäuse des Übersetzungsgetriebes 01 ist dabei in 1 nur in Ausschnitten dargestellt, soweit es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist.
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Das Übersetzungsgetriebe 01 wird von einem Motor 02 rotatorisch angetrieben. Der Motor 02 überträgt dabei seine Antriebsbewegung auf eine Antriebswelle 03, die dadurch mit einer Rotationsgeschwindigkeit ω1 in Drehbewegung versetzt wird. Die Antriebswelle 03 ist mit einem Drehlager 04 im lediglich schematisiert dargestellten Gehäuse 05 drehbar gelagert, wobei die Längs- und Drehachse 06 der Antriebswelle 03 koaxial zur Hauptachse 07 des Übersetzungsgetriebes 01 verläuft.
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Über einen Exzenter 08 ist eine Exzenterwelle 09 mit der Antriebswelle 03 verbunden, wobei die Längsachse der Exzenterwelle 09 parallel zur Längsachse 06 bzw. zur Hauptachse 07 verläuft. Wird die Antriebswelle 03 vom Motor 02 in Rotationsbewegung versetzt, so kreist die Exzenterwelle 09 auf einer zylindrischen Bewegungsbahn um die Hauptachse 07.
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Auf der Exzenterwelle 09 ist ein Umlaufrad 10 drehbar gelagert. Am Außenumfang des Umlaufrads 10 ist eine Außenverzahnung 11 angebracht. Das Umlaufrad 10 ist dabei mittels eines Verbindungselements 12, das in der Art eines Kreuzschlittens ausgebildet ist, am Gehäuse 05 gelagert. Der Kreuzschlitten umfasst dabei zwei Schlittenelemente 13 und 14. Das erste Schlittenelement 13 ist mit einer Linearlagerung axial verschiebbar am Gehäuse 05 gelagert. Das zweite Schlittenelement 14 ist rechtwinklig zum ersten Schlittenelement 13 und in einer Linearführung axial verschiebbar am ersten Schlittenelement gelagert. Im Ergebnis kann also das erste Schlittenelement 13 relativ zum Gehäuse 05 nach oben bzw. nach unten verschoben werden. Das zweite Schlittenelement 14 kann zusätzlich relativ zum ersten Schlittenelement 13 horizontal nach rechts bzw. links verschoben werden. Ein am zweiten Schlittenelement 14 befestigter Verbindungssteg 15 kann im Ergebnis in zwei Achsen vertikal nach oben bzw. unten und horizontal nach links und rechts verschoben werden. Der Verbindungssteg 15 greift in einem Drehlager 16, das außerhalb der Exzenterwelle 09 und damit außerhalb der Drehachse des Umlaufrads 10 liegt, in das Umlaufrad 10 ein. Im Ergebnis sorgt also der Kreuzschlitten 12 mit den Schlittenelementen 13 und 14 zusammen mit dem Verbindungssteg 15 und dem Drehlager 16 dafür, dass das Umlaufrad 10 beim Umlauf der Exzenterwelle auf der zylinderförmigen Bewegungsbahn keine Eigenrotation relativ zum Gehäuse 05 ausführen kann.
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Die Außenverzahnung 11 des Umlaufrads 10 steht mit der Innenverzahnung 17 eines Hohlrads 18 formschlüssig ein Eingriff, wobei das Umlaufrad 10 seinerseits eine Abtriebswelle 19 antreibt. Die Abtriebswelle 19 ist dabei in einem Drehlager 20 des Gehäuses 05 gelagert, so dass die Abtriebswelle 19 mit ihrer Längsachse 21 koaxial zur Längsachse 06 bzw. zur Hauptachse 07 verläuft.
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2 zeigt das Übersetzungsgetriebe 01 in seitlicher Ansicht. Man erkennt, dass der Radius r3 des Hohlrads 18 der Summe entspricht, die aus dem Radius r2 des Umlaufrads und dem Radius r1 der Kreisbahn der Exzenterwelle 09 gebildet ist. Es gilt also der Zusammenhang r3 = r1 + r2. Wird nun die Antriebswelle 03 vom Motor 02 mit einer Rotationsgeschwindigkeit ω1 angetrieben, so ergibt sich an der Abtriebswelle 19 aufgrund der Kinematik des erfindungsgemäßen Übersetzungsgetriebes 01 eine Rotationsgeschwindigkeit ω3. Das Übersetzungsverhältnis i des erfindungsgemäßen Übersetzungsgetriebes 01 entspricht dabei dem Quotienten aus ω1/ω3 = r2/(r3 – r2).
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Die kinematische Übersetzung zwischen Antriebswelle 03 und Abtriebswelle 19 soll nachfolgend anhand der Darstellungen in 3 und 4 noch näher erläutert werden.
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3 zeigt das Übersetzungsgetriebe 01 mit dem Hohlrad 18, dem Umlaufrad 10, dem Exzenter 08 und der Exzenterwelle 09 in einer stirnseitigen Ansicht. In der in 3 dargestellten Anfangsstellung soll zur Verdeutlichung der Übersetzungskinematik des Übersetzungsgetriebes 01 eine am Umlaufrad 10 angebrachte Markierung 22 mit einer am Hohlrad 18 angebrachten Markierung 23 im gleichen Anfangswinkel stehen. Wird nun das Umlaufrad 10 durch Antrieb der Antriebswelle 03 derart in Bewegung gesetzt, dass die Drehachse des Umlaufrads 10 entsprechend der Bewegung der Exzenterwelle 09 auf einer zylindrischen Kreisbahn um die Längsachse 06 rotiert, so sorgt das Verbindungselement 12 mit den Schlittenelementen 13 und 14 dafür, dass das Umlaufrad 10 keine Eigenrotation ausführt. Dies ist beispielsweise aus 4 erkennbar, dass das Übersetzungsgetriebe 01 darstellt, nachdem der Exzenter 08 durch Antrieb der Antriebswelle 03 um 180° verschwenkt wurde. Man erkennt, dass das Umlaufrad 10 keine Eigenrotation durchgeführt hat, da die Markierung 22 sich entsprechend dem Anfangswinkel in einer gleichen Winkelstellung gegenüber dem Gehäuse 05 befindet.
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Durch die Verzahnung zwischen der Außenverzahnung 11 des Umlaufrads 10 und der Innenverzahnung 17 des Hohlrads 18 wird das Hohlrad 18 durch die Bewegung des Umlaufrads 10 ebenfalls in Drehbewegung versetzt, wobei das Umlaufrad 10 entsprechend dem Übersetzungsverhältnis i = ω1/ω3 = r2/(r3 – r2) eine entsprechend dem Übersetzungsverhältnis i geänderte Drehgeschwindigkeit ω3 aufweist. Bei dem in 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel soll das Umlaufrad 10 beispielsweise einen Radius r2 von 4 cm und das Hohlrad 18 einen Radius r3 von 6 cm aufweisen. Im Ergebnis ergibt sich dadurch ein Übersetzungsverhältnis i von 4/(6 – 4) = 2. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Hohlrad 18 bei Antrieb der Antriebswelle 03 um einen Schwenkwinkel von 180° selber nur um einen Schwenkwinkel von 90° bewegt wird. Durch Änderung der Radien r1 (Exzenter 08), r2 (Umlaufrad 10) und r3 (Hohlrad 18) kann das Übersetzungsverhältnis i des Übersetzungsgetriebes 01 in einem sehr großen Bereich verändert werden. Die Drehgeschwindigkeit ω2 des Umlaufrads 10 relativ zum Gehäuse 05 ist dabei immer 0.
