DE102016109150A1

DE102016109150A1 - Mechanisch geregelte Achsverstellung an Exzentergetrieben

Info

Publication number: DE102016109150A1
Application number: DE102016109150.2A
Authority: DE
Inventors: Hans-Erich Maul
Original assignee: Maul Konstruktionen GmbH
Current assignee: Maul Konstruktionen GmbH
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2017-09-07

Abstract

Exzentergetriebe mit einer Achsverstellung zum Ausgleich des Spiels in der Verzahnung umfassend – eine Verzahnung mit einem Rollenrad (7, 8) und einem Planetenrad (3, 5), wobei das Planetenrad (3, 5) in der Innenverzahnung des Rollenrades (7, 8) abrollt, – einen Exzenter, der aus einem Innenexzenter (1) und einen Außenexzenter (2) besteht, – wobei der Innenexzenter (1) und der Außenexzenter (2) derart ineinander gesteckt und gegeneinander verdrehbar sind, dass sich durch Verdrehen der Achsabstand von Rollenrad (7, 8) und Planetenrad (3, 5) vergrößert oder verkleinert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Exzentergetriebe mit einer Achsverstellung zum Ausgleich des Spiels in der Verzahnung umfassend eine Verzahnung mit einem Rollenrad (Hohlrad) und einem Planetenrad, wobei das Planetenrad in der Innenverzahnung des Rollenrades (Hohlrades) abrollt.
Stand der Technik:
Exzentergetriebe müssen meist sehr genau gefertigt werden da sie überbestimmte Getriebe sind bei denen mehrere Zähne tragen, um die meist sehr hohe geforderte Belastung zu tragen.
An Exzentergetrieben wie sie z. B. für Nockenwellensteller verwendet werden, werden Federn zum Ausgleich des Spieles im Getriebe verwendet. Diese Federn wirken direkt auf das Planetenrad in radialer Richtung und sind zwischen dem Exzenterlager und dem Planetenrad angeordnet. Ein Beispiel eines derartigen Spielausgleichs ist in der DE 10 2007 000 014 A1 beschrieben. Die hoch vorgespannte Feder wirkt mit großen Kräften auf das Exzentergetriebe ein und verringert dadurch dessen Wirkungsgrad.
Aufgabenstellung:
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Exzentergetriebe mit besserem Wirkungsgrad zu schaffen, das trotzdem einen vollständigen Spielausgleich bei relativ ungenauer Fertigung ermöglicht.
Lösung der Aufgabe:
Diese Aufgabe wird durch ein Exzentergetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Normalerweise verfügen Exzentergetrieben über einen einteiligen Exzenter. Diese Exzenter stellen die innere Achse des Exzentergetriebes dar und sind normalerweise um eine feststehende Achse im Gehäuse gelagert. Erfindungsgemäß wird dieser einteilige Exzenter durch zwei ineinandergesteckte Exzenter ersetzt, einen Außenexzenter und einem Innenexzenter. Der Außen- und Innenexzenter werden zum Ausgleich des radialen Spieles gegeneinander verdreht. Die Verdrehung der Exzenter führt zu einer Veränderung der Gesamtexzentrizität und damit zur Veränderung des Achsabstandes des Getriebes. Dabei ist die Exzentrizität meist sehr klein. Jede kleine Exzentrizität stellt einen kurzen Hebel dar. Wenn Momente an diesen Exzentern wirken und diese verdrehen können sehr große Kräfte erzeugt werden.
Wird in einer Ausgestaltung der Erfindung eine Spiralfeder stirnseitig an den Exzentern angeordnet und an beiden Exzentern befestigt, beispielsweise durch Einhaken, so werden die Exzenter gegeneinander verdreht. Da die Hebelarme der Exzenter sehr klein sind und die Spiralfeder an einem wesentlich größeren Hebelarm wirkt, entsteht eine sehr große Kraftübersetzung die es ermöglicht, dass nur eine schwache Spiralfeder genügt um einen vollständigen Kraftausgleich des Exzentergetriebes zu erzeugen. An einem in 12 dargestelltem Beispiel wird gezeigt, dass eine geringe Federkraft genügt:
Es wirkt ein durch die Federkraft erzeugtes Drehmoment auf die Verdrehung der Exzenter. In dem gezeigten Beispiel eines Exzentergetriebes ist die Exzentrizität beider Exzenter gleich 0,5 mm und der Hebelarm der Spiralfeder r_Feder = 20 mm sodass in horizontaler (Ex) und vertikaler (Ey) Stellung der Exzenter eine Exzentrizität von R = 0,7 mm besteht. Dann ergibt sich nach den Formeln für r_wirk = 0,3535 mm. Damit eine Untersetzung von 20 mm/0,3535 mm = 56,6:1. D. h.: Zur Erzeugung von 2000 N Radialkraft an der Verzahnung sind nur zirka 35 N Federkraft nötig. Aus dem Zahlenbeispiel folgt, dass bereits eine relativ schwache Feder genügt um die Radialkräfte am Planetenrad aufzufangen und auszugleichen.
Da keine in tangentialer Richtung auftretenden Kraftkomponenten vorhanden sind, die den Spielausgleich erzeugen ist der Wirkungsgrad des Exzentergetriebes nicht beeinträchtigt durch eine Federvorspannung mit Tangentialkomponente.
Das System wirkt von der Drehrichtung unabhängig, weil der Außenexzenter mit dem Motordrehmoment beaufschlagt wird und der Innenexzenter regelnd seinen Drehwinkel verändert je nach der Belastung des Planetenrades und der radialen Lage der Verzahnung im Getriebe.
Der Hub und Drehwinkel der ineinander gesteckten Exzenter lässt sich nach der in 13 angegebenen Hubgleichung und der Kraftausgleich nach der angegebenen Kraftgleichung berechnen. Aus der Hubgleichung und dem Diagramm der Hubfunktion in 14 ist ersichtlich, dass bereits geringe Verdrehungen genügen um die Toleranzen in einem Exzentergetriebe auszugleichen mit sehr großer Kraftuntersetzung (vgl. 15). Dieses ist besonders bei Zykloidengetrieben wichtig, weil durch das Anliegen aller Zähne eine Hohe Genauigkeit gefordert wird. Es können aber auch Exzentergetriebe mit Evolventenverzahnung oder anderen Verzahnungsarten im Radius ausgeglichen werden.
Damit das Getriebe auch überlastet werden kann, werden an den Exzentern Anschläge angebracht, die die maximale Ausgleichsbewegung durch eine formschlüssige Behinderung der Verdrehung der Exzenter begrenzen. Selbst bei erheblicher Überlastung des Exzentergetriebes tritt kein Federn in den Exzentern und Überspringen der Verzahnung auf.
Es ist ebenfalls möglich die Exzenter-Achsverstellung bei anderen Getriebearten anzuwenden. Z. B. bei Stirnradgetrieben, Schneckenradgetrieben, Kegelradgetrieben, Kronenradgetrieben oder Schraubenradgetrieben usw. zum gefederten Spielausgleich.
Zwischen dem angetriebenen Außenexzenter und der Motorachse wird eine ausgleichende Kupplung z. B. eine Oldhamkupplung zwischengeschaltet.
Das Getriebe hat wegen fehlender tangentialer Kraftkomponente des radialen Spielausgleiches einen Wirkungsgrad wie ein spielbehaftetes Exzentergetriebe.
Bei Systemen wie z. B. Nockenwellenstellern, die immer in eine Richtung drehen ist es sinnvoll auf die Federn und die Kupplung am Antrieb zu verzichten und das Exzentergetriebe am Innenexzenter anzutreiben. Dann wird das System so verbaut, dass das Kniehebelsystem aus Außen- und Innenexzenter durch das Antriebsmoment des Motors in die die Strecklage gedrückt wird. Die Exzenter regeln abhängig von dem an dem Exzentergetriebe angreifenden Drehmoment die Verzahnung spielfrei.
In den 1–11 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Exzentergetriebes mit Achsverstellungsmechanismus gezeigt:
1 Zeigt das Exzentergetriebe Beispiel im Schnitt mit den Positionsnummern des Getriebes
2 Zeigt das Exzentergetriebe im Schnitt durch das Zahnradpaar der Eingangsstufe
3 Zeigt die Spiralfeder und die Innen- und Außenexzenter
4 Zeigt die Kupplungsmitnehmer des Oldhamkupplungsringes
5 Zeigt den Schnitt durch die Zahnräder der Abtriebsstufe
6 Zeigt das Exzenterbetriebe mit Motor und Kupplung und die Schnittangaben
7 Zeigt ein Beispiel einer Ausführung der Spiralfeder
8 Zeigt die Abtriebsseite des Getriebes
9 Zeigt den Außenexzenter des Exzentergetriebes
10 Zeigt den Innenexzenter des Exzentergetriebes
11 Zeigt den Oldhamkupplungsring der Kupplung am Anriebsmotor
12 Erklärung der Statik der Achsverstellung
13 Prinzipskizze der Kräfte und Gelenke der Exzentrizitäten
14 Diagramm: Funktion der Hubänderung in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Ausgleichexzenters der Achsverstellung
15 Diagramm: Funktion der Ausgleichskraft in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Ausgleichexzenters der Achsverstellung
16 Funktionsschema der Achsverstellung
Das Getriebe gleicht Toleranzen der Verzahnungen und Ungenauigkeiten der Bauteile vollständig aus. Es ist ein Akbar-Zykloiden Getriebe bei dem die Verzahnung mit Spiel ausgeführt wurde Das Getriebe wird am Außenexzenter (2) angetrieben. Dadurch laufen Innen- und Außenexzenter (1,2) unbelastet vom Antriebsmoment innerhalb des Planetenrades (3,5) und drücken das Planetenrad (3, 5) immer in die Verzahnung des Rollenrades (7, 8), sodass das Planetenrad (3, 5) immer den radialen Ausgleich des Hubes nach der Hubgleichung (13) und dem Hubdiagramm (14) macht. Dabei wird die Spiralfeder (10) nur so stark belastet, wie dies die Belastung des Getriebes am Abtrieb erfordert. Auf das Getriebe von außen einwirkende Belastungen wie z. B. Drehmomentschwankungen oder Schläge und Stöße gleicht das Getriebe durch verdrehen der Exzenter aus, so dass die Verzahnung immer gleichmäßig trägt.
Dadurch, dass der Antrieb am Außenexzenter (2) erfolgt ist das Getriebe von der Drehrichtung unabhängig und es wirkt das Moment der Spiralfeder (10) auf die Exzenter. Der Innenexzenter (1) wird entweder gezogen oder gedrückt. Es wirkt das Kniehebelsystem der Exzentrizitäten. Da der angetriebene Außenexzenter (2), eine Taumelbewegung vollführt, muss eine ausgleichende Kupplung z. B. mit einem Oldhamkupplungsring (17) zwischen Antriebsmotor (15) und Getriebe zwischengeschaltet werden.

Anstelle der Spiralfeder können auch andere Federformen, die eine Verdrehung der Exzenter (1, 2) gegeneinander bewirken, verwendet werden, z. B. Schlingfedern, Zug- oder Druckfedern oder Torsionsfedern bzw. Kunststofffedern. Bezugszeichenliste:

	Bezeichnung
1.	Innenexzenter
2.	Außenexzenter
3.	Z23 Zykloid
4.	Nadelhülse
5.	Z33 Zykloid
6.	Nadelhülse
7.	Rollenrad Z24
8.	Rollenrad Z34
9.	Zentrumnabe
10.	Spiralfeder
11.	Unterlegscheibe
12.	Zylinderkopfschraube
13.	Deckel
14.	Blechschraube
15.	Motor
16.	Motorachse
17.	Oldhamkupplungsring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007000014 A1 [0003]

Claims

Exzentergetriebe mit einer Achsverstellung zum Ausgleich des Spiels in der Verzahnung umfassend – eine Verzahnung mit einem Rollenrad (7, 8) und einem Planetenrad (3, 5), wobei das Planetenrad (3, 5) in der Innenverzahnung des Rollenrades (7, 8) abrollt, – einen Exzenter, der aus einem Innenexzenter (1) und einen Außenexzenter (2) besteht, – wobei der Innenexzenter (1) und der Außenexzenter (2) derart ineinander gesteckt und gegeneinander verdrehbar sind, dass sich durch Verdrehen der Achsabstand von Rollenrad (7, 8) und Planetenrad (3, 5) vergrößert oder verkleinert.
Exzentergetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten des Innen- und Außenexzenters (1, 2) eine Feder (10) angeordnet ist, wobei das durch die Feder (10) erzeugte Drehmoment für eine Verdrehung von Innen- und Außenexzenter (1, 2) eingerichtet ist.
Exzentergetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Innen- und Außenexzenter (1, 2) Anschläge angeordnet sind, die durch Formschluss den Drehwinkel zwischen Innen- und Außenexzenter begrenzen.
Exzentergetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Exzentergetriebes an dem Außenexzenter (2) erfolgt.
Exzentergetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Antrieb des Exzentergetriebes und einem Antriebsmotor (15) eine ausgleichende Kupplung geschaltet ist.
Exzentergetriebe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgleichende Kupplung eine Oldhamkupplung ist.
Exzentergetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb des Exzentergetriebes an dem Innenexzenter (1) erfolgt.
Exzentergetriebe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Innen- und Außenexzenter (1, 2) Anschläge angeordnet sind, die durch Formschluss den Drehwinkel zwischen Innen- und Außenexzenter begrenzen.