DE102016118877A1

DE102016118877A1 - Mechanische Getriebeanordnung

Info

Publication number: DE102016118877A1
Application number: DE102016118877.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Leidholdt; Gerd Sebastiani; Enrico Kropp; Steffen Kirsch; Jens Trepte
Original assignee: IMK AUTOMOTIVE GmbH
Current assignee: IMK MANAGEMENT SERVICES GMBH, DE
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2018-04-05
Anticipated expiration: 2036-10-06
Also published as: DE102016118877B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus und der Getriebetechnik und betrifft eine mechanische Getriebeanordnung, wie sie beispielsweise als Getriebe in Fahrzeugen, Haushaltgeräten, landwirtschaftlichen Geräten oder medizinischen Geräten Anwendung finden. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer mechanischen Getriebeanordnung, die für hohe Drehmomente einen geringen Bauraum aufweist, geringe Laufgeräusche erzeugt und zudem einfach und preisgünstig in der Herstellung ist. Die Aufgabe wird durch eine mechanische Getriebeanordnung gelöst, die eine Antriebsbaugruppe, mindestens eine Zwischenbaugruppe und eine Abtriebsbaugruppe aufweist, wobei die Antriebsbaugruppe eine Antriebswelle mit einer Schnecke und die mindestens eine Zwischenbaugruppe eine Übertragungswelle mit einem Schneckenrad und einem Ritzel und die Abtriebsbaugruppe eine Abtriebswelle mit einem Abtriebszahnrad aufweist, wobei die Rotationsachse der Antriebswelle und die Rotationsachse der Abtriebswelle koaxial angeordnet sind, und wobei die Rotationsachse der mindestens einen Zwischenbaugruppe windschief und mit einem Achswinkel von ∑ ≠ 90° angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Maschinenbaus und der Getriebetechnik und betrifft eine mechanische Getriebeanordnung, wie sie beispielsweise als Getriebe in Fahrzeugen, Haushaltgeräten, landwirtschaftlichen Geräten oder medizinischen Geräten Anwendung finden.
Mechanische Getriebe mit axialer Anordnung der An- und Abtriebswelle verbunden mit hohen Wirkungsgraden, geringen Laufgeräuschen und geringem Bauraum sind heute wichtige Standardanforderungen für moderne Getriebeanwendungen. Dabei stellt eine geringe Geräuschentwicklung bei Getriebeanwendungen eine wichtige Voraussetzung für gute Arbeitsbedingungen und einen hohen Umweltschutz dar. Große Kräfte bei kleinen Motoren mit hohen Drehzahlen oberhalb von 10.000 U/min stellen in Verbindung mit der Anforderung an geringere Laufgeräusche eine besondere Herausforderung bei der Ausgestaltung von mechanischen Getrieben dar. Nicht zuletzt besteht eine besondere Herausforderung darin, mechanische Getriebe mit großer Untersetzung von Drehzahlen und Übersetzung von Drehmomenten bereitzustellen, die zudem einen geringen Bauraum beanspruchen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten mechanischer Getriebeanordnungen bekannt.
Eine bekannte Art der mechanischen Getriebeanordnung sind Hypoidgetriebe, die zur Gruppe der Kegelradgetriebe gehören. Unter dem einfachen Kegelradgetriebe wird die Paarung zweier Kegelräder mit Gerad- oder Schrägverzahnung verstanden, deren Abwälzflächen Kegel sind und deren Radachsen sich im Achsenschnittpunkt schneiden. Die Zahnflanken der beiden Kegelräder berühren sich linienförmig. Neben der Art und Form der Flankenlängslinie werden Kegelzahnräder nach der Art und Form der Kegelradverzahnung in geradverzahnte, schrägverzahnte, bogenverzahnte und spiralverzahnte Kegelräder unterschieden.
Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal stellt der Achsversatz bei Kegelradgetrieben dar. Kegelräder ohne Achsversatz besitzen sich schneidende Achsen, während sich bei Kegelrädern mit Achsversatz, sogenannten Hypoidrädern, die Achsen kreuzen, wobei ein positiver oder negativer Achsversatz realisiert sein kann. Anstelle des Kegels als Abwälzfläche erhält mindestens eines der Räder ein Rotationshyperboloid, weshalb der Fachmann das Getriebe als Hypoidgetriebe bezeichnet.
Als weitere Art mechanischer Getriebeanordnungen sind Schneckenradgetriebe bekannt, die als Zahnradgetriebe typischerweise rechtwinklig gekreuzte Achsen aufweisen. Schneckenradgetriebe bestehen aus der meist treibenden Schnecke und dem dazugehörigen Schneckenrad. Die Berührung von Schnecke und Schneckenrad findet in Linien innerhalb eines Eingriffsfeldes statt. Schnecken haben einen oder mehrere Zähne, die wie Gänge von Schrauben unter gleichbleibender Steigung um die Schneckenachse gewunden sind. Je nach Flankenrichtung unterscheidet man rechts- und linkssteigende Schnecken, wobei die rechtssteigende Flankenrichtung die bevorzugte ist (H. Wittel u.a.: Maschinenelemente Normung, Berechnung, Gestaltung; Lehr- und Tabellenbuch, Wiesbaden: Springer Verlag, 2013).
Vorteile eines Schneckenradgetriebes sind die hohe Belastbarkeit und Tragfähigkeit sowie die selbsthemmende Wirkung und der intrinsisch ruhige Lauf.
Auch sind als weitere Art mechanischer Getriebeanordnungen Umlaufrädergetriebe bekannt, auch Planetengetriebe genannt, die sowohl Wellen als auch Achsen aufweisen, die sich auf Kreisbahnen in einem Gestell bewegen. Die auf umlaufenden Achsen drehenden Zahnräder umkreisen dabei ein zentrales Rad, dass sogenannte Sonnenrad.
Aus der US 2010 030 727 0 A1 ist ein Winkelgetriebe bekannt, das ein Gehäuse mit einem Antriebselement und eine Baugruppe umfasst. Außerdem beinhaltet das Getriebe ein Schneckengetriebe. Das Antriebselement weist einen ersten Abschnitt eines Schraubengetriebes auf, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Das Abtriebselement erstreckt sich vom Gehäuse und umfasst einen zweiten Abschnitt eines Hypoid-Getriebesatzes und ist ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Abtriebselement ist im Wesentlichen orthogonal zum Antriebselement angeordnet. Die Anordnung weist einen zweiten Abschnitt als Schneckengetriebe auf, der mit dem Hypoidzahnradsatz mechanisch gekoppelt ist.
Bekannt aus der EP 24 06 522 A1 ist eine Kombination eines Spiroid- und eines Schneckengetriebes, bei dem ein Zahnradkörper ausgebildet ist, der eine Drehachse aufweist. Der Zahnradkörper weist zudem eine Vielzahl von Spiroid- Zahnradzähnen auf, die in gegenüberliegenden Oberflächen des Körpers im Wesentlichen radial relativ zur Drehachse ausgebildet sind. Der Zahnradkörper weist ferner eine Vielzahl von Schneckengetriebezähnen in einem Nabenabschnitt des Zahnradkörpers auf, die zwischen, separat und getrennt von den spiroiden Zähnen angeordnet sind. Das Schneckenrad weist Zähne auf, die allgemein in Längsrichtung relativ zur Rotationsachse des Zahnradkörpers ausgebildet sind.
Aus der JP H01 168 568 A1 ist ein Servolenkungsmechanismus bekannt, mit dem eine einzelne Reduktion der Drehzahl durch Eingriff zwischen einem Hypoid-Ritzel und einem Hypoid-Zahnrad an einer Welle eines Motors realisiert ist. Dabei wird die Drehung des Motors in eine geradlinige Bewegung umgewandelt. Eine Zahnstange ist zwischen einem Schneckengetriebe fest mit einem Hypoidzahnradsatz ausgebildet. Der Steigungswinkel des Schneckenrades beträgt dabei weniger als 10°. Der Steigungswinkel der Zahnstange ist dabei geringfügig größer als der Steigungswinkel des Schneckenrades.
Weiterhin ist aus der DE 19 736 572 A1 ein Getriebe, insbesondere für einen Hubschrauber-Rotor-Antrieb, mit einer oder mehreren Antriebsmaschinen bekannt, bei welchem für jede Antriebsmaschine mehrere Leistungszweige vorgesehen sind. Dabei weist ein erster Leistungszweig in an sich bekannter Weise ein erstes drehantreibbares Antriebsritzel auf, welches in ständigem Zahneingriff mit einem ersten abtriebsseitigen Zahnrad ist. Außerdem weist das Getriebe mindestens einen weiteren Leistungszweig auf, der ein zum ersten Antriebsritzel koaxiales weiteres Antriebsritzel aufweist, welches in ständigem Zahneingriff mit einem, zum ersten abtriebsseitigen Zahnrad, koaxialen abtriebsseitigen weiteren Zahnrad ist.
Die JP 2012 184 799 A1 gibt ein Untersetzungsgetriebe, umfassend einen Motor, der mit der ersten Untersetzungseinheit verbunden ist, und eine zweite Untersetzungseinheit, an. Die erste Untersetzungseinheit weist einen Hypoid-Getriebemechanismus auf, der ein Kegelradgetriebe ist, und ein Schraubengetriebemechanismus, der ein zylindrischer Getriebemechanismus ist. Das zweite Untersetzungsgetriebe weist einen Schneckengetriebemechanismus auf. Die Leistungsübertragung vom Motor bis zu einer endgültigen Ausgangswelle erfolgt U-förmig, wobei die Gesamtgröße des Untersetzungsgetriebes kleiner als ein herkömmliches Untersetzungsgetriebe ist. Das Schraubengetriebe ist als mehrstufiges zylindrisches Getriebe ausgebildet.
Aus der DE 296 03 376 U1 ist ein roll- und tragbarer elektromotorisch angetriebener Bodenkultivator bekannt, bei dem an einer Führungsstange ein Motor mit Stufengetriebe befestigt ist. Der Motor mit Stufengetriebe hat eine drehende Ausgangswelle, die in ein zweites ovales Stufengetriebe eingeführt wird. Das zweite Stufengetriebe weist zwei vertikale Zapfwellen auf, an denen gegeneinander nach innen rotierende rechtwinklige Hackmesser mit jeweils vier Schneiden oder wechselbar mit zwei Schneiden befestigt sind. Der Antriebsmotor mit Stufengetriebe weist eine drehende Ausgangswelle mit rechtssteigender Antriebsschnecke auf, die in einer 35° Schräge von unten ein horizontal gelagertes Schneckenrad mit linkem und rechtem spiralverzahntem Kegelrad antreibt. Die horizontale Antriebseinheit mit Getriebedeckel bildet eine Montageeinheit, die mit vier Schrauben auf einem Stufengetriebegehäuse aufgeschraubt ist. Die angetriebene horizontale Antriebseinheit mit Schneckenrad und spiralverzahnten Kegelrädern treibt in einem Achswinkel von 90° wiederum über spiralverzahnte Kegelräder die vertikalen Zapfwellen an.
Aus der DE 20 2007 003 419 U1 ist ein schrägverzahntes Planetengetriebe mit einem mittig angeordneten Sonnenrad, einem Planetenträger, wenigstens zwei von den Planetenträgern gehaltenen und mit dem Sonnenrad in Eingriff stehenden Planetenrädern und einem innenverzahnten Hohlrad, das mit dem Planetenrädern in Eingriff steht, bekannt. Dabei sind das Sonnenrad und das Hohlrad aus Kunststoff ausgebildet, und die Planetenräder weisen ein Modul von etwa 0,1 mm bis etwa 0,6 mm auf.
Die DE 20 2013 100 134 U1 gibt eine Koch- und Rührmaschine an, bei der das obere Ende des Motors mit einer Ausgangswelle, einer Schubwelle und einem unteren Anschlussstück versehen ist, das an der Schubwelle angebracht ist und mit dem oberen Anschlussstück übereinstimmt. Die Ausgangswelle und die Schubwelle sind über ein erstes Einweglager verbunden. Ein Untersetzungsgetriebe ist zwischen der Ausgangswelle und der Schubwelle angeordnet, um eine Untersetzungsübertragung zwischen den beiden zu erreichen. Insbesondere weist das Untersetzungsgetriebe ein zweites Einweglager, eine Schnecke, die an der Ausgangswelle angebracht ist, ein Schneckenrad, das mit der Schnecke in Eingriff steht, ein erstes Kegelrad, das sich koaxial und synchron mit dem Schneckenrad dreht, ein zweites Kegelrad, das mit dem ersten Kegelrad in Eingriff steht, ein erstes Stirnrad, dass sich koaxial und synchron mit dem zweiten Kegelrad dreht, und ein zweites Stirnrad, das mit dem ersten Stirnrad in Eingriff steht, auf.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen nach dem Stand der Technik ist, dass die bekannten mechanischen Getriebeanordnungen für hohe Drehmomente einen großen Bauraum aufweisen, hohe Laufgeräusche erzeugen und zudem aufwendig und teuer in der Herstellung sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer mechanischen Getriebeanordnung, die für hohe Drehmomente einen geringen Bauraum aufweist, geringe Laufgeräusche erzeugt und zudem einfach und preisgünstig in der Herstellung ist.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer und -Verknüpfung mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Die erfindungsgemäße mechanische Getriebeanordnung enthält eine Antriebsbaugruppe, mindestens eine Zwischenbaugruppe und eine Abtriebsbaugruppe, wobei die Antriebsbaugruppe eine Antriebswelle mit einer Schnecke aufweist, und die mindestens eine Zwischenbaugruppe eine Übertragungswelle mit einem Schneckenrad und einem Ritzel aufweist, und die Abtriebsbaugruppe eine Abtriebswelle mit einem Abtriebszahnrad aufweist, und die Schnecke mit dem Schneckenrad in Eingriff steht, und das Ritzel mit dem Abtriebszahnrad in Eingriff steht, wobei die Rotationsachse der Antriebswelle und die Rotationsachse der Abtriebswelle koaxial angeordnet sind, wobei die Rotationsachse der mindestens einen Zwischenbaugruppe windschief und mit einem Achswinkel von ∑ ≠ 90° zu den Rotationsachsen der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet ist.
Vorteilhafterweise sind mehrere Zwischenbaugruppen angeordnet.
Vorteilhaft ist es, wenn die Rotationsachse der mindestens einen Zwischenbaugruppe zur Rotationsachse der Antriebwelle und Abtriebswelle in einem Achswinkel 0°< ∑ < 90° angeordnet ist.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das Schneckenrad thoroidisch, insbesondere elliptisch-thoroidisch ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise weist das Ritzel mit dem Abtriebszahnrad einen Achsversatz von a ≠ 0 auf.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn der Achsversatz der Rotationsachse des Ritzels zur Rotationsachse des Abtriebszahnrades negativ oder positiv ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der mechanischen Getriebeanordnung ist das Abtriebszahnrad ein Tellerrad und das Ritzel ein Hypoidzahnrad.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn das Ritzel und das Abtriebszahnrad eine Geradverzahnung, Schrägverzahnung, Epizykloiden-Bogenverzahnung, Hypozykloidenverzahnung, verlängerte Evolventen-Bogenverzahnung, Kreisbogenverzahnung, Tangentenschrägverzahnung, Zyklo-Palloid-Verzahnung und/oder Gleason-Verzahnung aufweisen.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Antriebsbaugruppe, die mindestens eine Zwischenbaugruppe und/oder die Abtriebsbaugruppe gelagert sind.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Antriebswelle, die mindestens eine Übertragungswelle und/oder die Abtriebswelle einfach und/oder mehrfach gelagert sind.
Und ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Antriebswelle, die Übertragungswelle, die Abtriebswelle, die Schnecke, das Schneckenrad, das Ritzel und/oder das Abtriebszahnrad aus Baustahl, Vergütungsstahl, Einsatzstahl, Keramik und/oder Kunststoff und/oder Verbundmaterialien bestehen.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine besonders laufruhige, einfache und kostengünstig herzustellende mechanische Getriebeanordnung bereitgestellt, die sich durch einen besonders geringen Bauraum auszeichnet. Zudem werden mit der mechanischen Getriebeanordnung besonders große Untersetzungen von Drehzahlen bei gleichzeitig hohen Übersetzungen von Drehmomenten realisiert, wodurch die erfindungsgemäße Getriebeanordnung besonders leistungsfähig ist. Dadurch wird es mit der mechanischen Getriebeanordnung möglich, Kleinstgetriebe mit einer besonders hohen Leistung bereitzustellen, die für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar sind.
Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen mechanischen Getriebeanordnung werden durch die spezielle Kombination eines Schneckengetriebes mit einem Zahnradgetriebe und insbesondere mit einem Hypoidgetriebe erzielt, bei der eine Antriebsbaugruppe, mindestens eine Zwischenbaugruppe und eine Abtriebsbaugruppe vorhanden sind.
Die Antriebsbaugruppe weist eine Antriebswelle mit einer Schnecke auf, bei der die Schnecke mit mindestens einem Schneckenrad in Eingriff steht. Die Anordnung von Schnecke und Schneckenrad soll im Rahmen der Erfindung als erste Getriebestufe verstanden werden.
Ein erfindungswesentliches Merkmal ist, dass die Rotationsachse der mindestens einen Übertragungswelle mit dem Schneckenrad und dem Ritzel windschief zu den Rotationsachsen der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet ist. Unter windschief soll um Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass die Rotationsachse der Übertragungswelle mit den Rotationsachsen der Antriebswelle und der Abtriebswelle sich weder in einem gemeinsamen Punkt schneiden noch parallel zueinander verlaufen.
Mit der windschiefen Anordnung der Übertragungswelle konnte eine besonders effektive Anordnung der Übertragungswelle zur Antriebswelle und Abtriebswelle herausgefunden werden, die den Raum zwischen der koaxial angeordneten Antriebswelle und Abtriebswelle besonders platzsparend ausnutzt. Unter koaxial angeordnete Antriebswelle und Abtriebswelle soll im Rahmen der Erfindung verstanden werden, dass die Rotationsachse der Antriebwelle und die Rotationsachse der Abtriebswelle übereinstimmen.
Zudem konnte herausgefunden werden, dass mit der erfindungsgemäßen windschiefen Anordnung der Übertragungswelle ein besonders vorteilhafter Kraftfluss von der Antriebswelle über die Übertragungswelle auf die Abtriebswelle erfolgt.
Vorteilhafterweise ist die Rotationsachse der mindestens einen Übertragungswelle mit einem Achswinkel von ∑ ≠ 90° zu den Rotationsachsen der Antriebswelle und der Abtriebswelle, insbesondere mit einem Achswinkel von 0°< ∑ < 90°angeordnet.
Unter dem Achswinkel ∑ soll im Rahmen der Erfindung der eingeschlossene Winkel verstanden werden, der sich aus der Lage der Rotationsachsen der koaxial angeordneten Antriebswelle und Abtriebswelle zur Lage der Rotationsachse der Übertragungswelle ergibt. Aus der windschiefen und mit einem Achswinkel ∑ vorgesehen Anordnung der Übertragungswelle zu den Rotationsachsen der Antriebswelle und Abtriebswelle ergibt sich, dass die in Eingriff stehenden Schnecke zum Schneckenrad und das Ritzel zum Abtriebszahnrad ebenfalls mit einem Achswinkel ∑ angeordnet sind.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die mechanische Getriebeanordnung mehrere windschief angeordnete Zwischenbaugruppen aufweist, die jeweils mit der Schnecke der Antriebsbaugruppe und dem Abtriebszahnrad der Abtriebsbaugruppe in Eingriff stehen. Das Vorsehen mehrerer, gleichzeitig agierender Zwischenbaugruppen mit mehreren Übertragungswellen, Schneckenrädern und Ritzeln führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der an den Übertragungswellen auftretenden Torsionsmomente und Zahnflankenkräften und damit zu einer wesentlichen Verringerung der Belastung an den jeweiligen Übertragungswellen und deren Verzahnungen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass wesentlich höhere Untersetzungen der Drehzahlen und wesentlich höhere Übersetzungen der Drehmomente durch die Anordnung mehrerer gleichzeitig agierender Zwischenbaugruppen realisiert werden können, da die anliegenden Kräfte und Drehmomente von der Antriebswelle auf mehrere Zwischenbaugruppen gleichmäßig verteilt vorliegen, wodurch die Beanspruchung der Übertragungswellen reduziert wird.
Dadurch wird der Momentenfluss auf die mehreren Zwischenbaugruppen aufgeteilt, was zu einer deutlichen Reduzierung des Verschleißes bei gleichzeitig verbesserter Standzeit der erfindungsgemäßen mechanischen Getriebeanordnung führt.
Mit der Anordnung mehrerer Zwischenbaugruppen wird außerdem erreicht, dass die einzelnen Zwischenbaugruppen kleiner, leichter und preisgünstiger herstellbar sind, was zudem zu einer wesentlichen Gewichtsreduzierung der einzelnen Zwischenbaugruppen führt.
Zudem wird mit der Anordnung mehrerer Zwischenbaugruppen erreicht, dass sich die Kräfte auf die Verzahnungen verringern, wodurch auch der Verschleiß an den Verzahnungen wesentlich reduziert wird. Außerdem können durch das Vorsehen mehrerer Zwischenbaugruppen besonders kleine und filigrane Getriebe bereitgestellt werden. Insbesondere wird durch die Anordnung mehrerer Zwischenbaugruppen eine wesentlich bessere Tragfähigkeit und Belastbarkeit der ersten Getriebestufe durch den nunmehr realisierten mehrfachen Zahneingriff und die realisierte Zahnüberdeckung zwischen Schnecke und Schneckenrad erreicht, wodurch zudem eine wesentlich geringe Belastung durch Gleitreibung an den Zahnflanken des Schneckenrades bei gleichzeitig hoher Untersetzung der Drehzahlen und Übersetzung der Drehmomente realisiert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Übertragungswelle mit einem Achswinkel von Σ ≠ 90° zu der koaxial angeordneten Antriebs- und Abtriebswelle wurde zudem eine besondere Ausbildung der Verzahnung der ersten Getriebestufe herausgefunden. Für einen besonders reibungsarmen und geräuscharmen Eingriff von Schneckenrad und Schnecke ist die Verzahnung des Schneckenrades vorteilhafterweise thoroidisch, insbesondere elliptisch-thoroidisch, ausgebildet. Damit ist es möglich, bereits in der ersten Getriebestufe die Drehzahl sehr stark zu untersetzen. Zudem wird aufgrund der hohen Überdeckung der Schnecke mit den Zähnen des Schneckenrades eine besonders hohe Tragfähigkeit der in Eingriff stehenden Zähne in der ersten Getriebestufe erreicht wird.
Eine zusätzliche Verbesserung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen mechanischen Getriebeanordnung wird vorteilhafterweise mit einer ein- oder mehrfachen Lagerung der Antriebswelle, der mindestens einen Übertragungswelle und/oder der Abtriebswelle erreicht. Mit der mehrfachen Lagerung der Antriebswelle, der mindestens einen Übertragungswelle und/oder der Abtriebswelle wird eine zusätzliche Steifigkeit in der mechanischen Getriebeordnung realisiert, wodurch Laufgeräusche und Laufruhe nochmals deutlich reduziert werden. Im Fall der mehrfachen Anordnung einer Zwischenbaugruppe besteht der Vorteil zudem darin, dass auf die Antriebswelle keine Querkräfte wirken, sodass eine Lagerung der Antriebswelle im Getriebegehäuse entfallen kann, wenn der angeflanschte Antrieb die Lagerung bereits übernimmt.
Die erfindungsgemäße Abtriebsbaugruppe weist eine Abtriebswelle mit einem Abtriebszahnrad auf, dass mit dem mindestens einen, auf der Übertragungswelle angeordneten, Ritzel in Eingriff steht. Die Anordnung von Ritzel und Abtriebszahnrad, die im Eingriff stehen, soll im Rahmen der Erfindung als zweite Getriebestufe verstanden werden.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Abtriebszahnrad ein Tellerrad ist, da aufgrund der im vorgegebenen Bauraum des Getriebes erreichbaren Baugröße und dem damit möglichen großer Durchmesser des Tellerrades nochmals besonders große Untersetzungen von Drehzahlen und besonders hohe Übersetzungen von Drehmomenten auf die Abtriebswelle realisiert werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das mindestens eine Ritzel ein Hypoidzahnrad, dass vorteilhafterweise eine Geradverzahnung, Schrägverzahnung, Epizykloiden-Bogenverzahnung, eine Hypozykloiden-Verzahnung, eine verlängerte Evolventen-Bogenverzahnung, eine Kreisbogenverzahnung, eine Tangentenschrägverzahnung, eine Zyklo-Palloid-Verzahnung und/oder eine Gleason-Verzahnung aufweist. Damit wird ein besonders reibungsarmer Eingriff der Zähne des Ritzels in das Abtriebszahnrad ermöglicht, wodurch aufgrund der geringeren Gleitreibung eine weitere Reduzierung der Laufgeräusche in der zweiten Getriebestufe realisiert wird.
Vorteilhaft ist, wenn das mindestens eine Ritzel mit dem mindestens einen Abtriebszahnrad einen Achsversatz von a ≠ 0 aufweist, wobei der Achsversatz negativ oder positiv ausgeführt sein kann.
Bei einem positiven Achsversatz ist die Ritzelachse in Richtung der Spiralrichtung des Abtriebszahnrades verschoben, wodurch der mittlere Spiralwinkel des Ritzels größer als der mittlere Spiralwinkel des Abtriebszahnrades ist. Bei einem negativen Achsversatz ist die Ritzelachse gegen die Spiralrichtung des Abtriebszahnrades verschoben, wodurch der mittlere Spiralwinkel des Ritzels kleiner als der mittlere Spiralwinkel des Abtriebszahnrades ist.
Mit der erfindungsgemäßen Berücksichtigung des Achsversatzes von a ≠ 0 in der zweiten Getriebestufe ergeben sich besondere Vorteile dahingehend, dass die Tragfähigkeit und die Belastbarkeit durch die große Überdeckung der Verzahnung von Ritzel und Abtriebszahnrad erhöht ist und dadurch die Laufruhe der Getriebestufe zusätzlich verbessert wird, weshalb die erfindungsgemäße mechanische Getriebeanordnung besonders leise gegenüber vergleichbaren Stirn- oder Planetengetriebe ist. Zudem lassen sich durch die hohe Überdeckung der Verzahnung von Ritzel und Abtriebszahnrad und damit der hohen Tragfähigkeit der Verzahnung besonders hohe Übersetzungen der an der Übertragungswelle anliegenden Drehmomente auf die Abtriebswelle realisieren, wodurch der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen mechanischen Getriebeanordnung zusätzlich verbessert ist.
Ein weiteres erfindungswesentliches Merkmal ist, dass durch die windschiefe Anordnung der mindestens einen Übertragungswelle auch das mindestens eine Ritzel zum Abtriebszahnrad windschief angeordnet ist. Mit der windschiefen Anordnung von Ritzel zum Abtriebszahnrad in Verbindung mit der vorteilhaften Verzahnung von Ritzel und Abtriebszahnrad stehen eine höhere Anzahl von Zähnen gleichzeitig miteinander im Eingriff, wodurch eine wesentlich verbesserte Tragfähigkeit gegenüber bekannten Kegelradverzahnungen und Hypoidgetrieben ermöglicht wird.
Es ist gelungen, eine besonders laufruhige und leistungsfähige mehrstufige Getriebeanordnung bereitzustellen, die besonders hohe Untersetzungen von Drehzahlen bei gleichzeitig hoher Übersetzung von Drehmomenten ermöglicht. Der hohe Wirkungsgrad und die besonderen Laufeigenschaften der mechanischen Getriebeanordnung werden zudem auf einem besonders geringen Bauraum realisiert, wodurch ein breites Einsatzgebiet der mechanischen Getriebeanordnung auch als Kleinstgetriebe abgedeckt wird. Zudem ist die mechanische Getriebeanordnung besonders einfach und kostengünstig herstellbar.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die 1–3 zeigen
1 – eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen mechanischen Getriebeanordnung
2 – eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen mechanischen Getriebeanordnung mit einer Zwischenbaugruppe
3 – eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen mechanischen Getriebeanordnung mit drei Zwischenbaugruppen
Ausführungsbeispiel 1
1 zeigt eine schematische Darstellung der mechanischen Getriebeanordnung. Dabei ist ein Gehäuse 9 gezeigt, in dem eine über Lager 8 horizontal angeordnete Antriebswelle 1 gelagert ist. An der Antriebswelle 1 ist außerhalb der Lager 8 ein Antrieb 10 vorgesehen. Außerdem weist die Antriebswelle 1 innerhalb des Gehäuses 9 eine Schnecke 4 auf. Ebenfalls horizontal und mit der Antriebswelle 1 koaxial angeordnet ist eine Abtriebswelle 3 über Lager 8 dargestellt, an deren einem Ende ein Abtriebszahnrad 7 angeordnet ist. Am anderen Ende der Abtriebswelle 3 ist außerhalb des Gehäuses 8 schematisch eine Anwendung 11 dargestellt. Zwischen der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 3 ist eine Übertragungswelle 2 windschief angeordnet, bei der an einem Ende ein Schneckenrad 5 und am anderen Ende ein Ritzel 6 befestigt ist. Die Übertragungswelle 2 ist ortsfest im Gehäuse 9 über Lager 8 gelagert und windschief mit einem Achswinkel von ∑ = 45° gegenüber der gemeinsamen Rotationsachse von Antriebswelle 1 und Abtriebswelle 3 angeordnet. Die Schnecke 4 steht mit dem Schneckenrad 5 in Eingriff und weist einen Achswinkel von ∑ = 75° auf. Das Hypoidritzel 6 steht mit dem Tellerrad 7 in Eingriff.
Ausführungsbeispiel 2
2 zeigt die Seitenansicht einer Ausführungsvariante der mechanischen Getriebeanordnung mit einer Zwischenbaugruppe. Eine Antriebswelle 1 weist eine Schnecke 4 auf. Die Rotationsachse der Antriebswelle 1 ist koaxial zur Rotationsachse der Abtriebswelle 3 über Lager 8 angeordnet. Am linken Ende der Abtriebswelle 3 ist ein Tellerrad als Abtriebszahnrad 7 angeordnet. Zwischen der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 3 ist im Winkel von 45° zu Rotationsachsen der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 3 eine Übertragungswelle 2 windschief angeordnet, die ein Schneckenrad 5 und ein Hypoidritzel 6 aufweist. Die Übersetzung von der Schnecke 4 auf das Schneckenrad 5 beträgt i₁ = 18. Die Übersetzung von Hypoidritzel 6 auf das Tellerrad 7 beträgt i₂ = 5. Die Übertragungswelle 2 ist ortsfest im Gehäuse über Lager 8 (nicht dargestellt) angeordnet. Die Rotationsachse der Übertragungswelle 2 ist in einen Achswinkel von ∑ = 45° zur Ausrichtung der Rotationsachsen der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 3 angeordnet. Die Schnecke 4 steht mit dem Schneckenrad 5 in Eingriff und weist einen Achswinkel von ∑ = 45° auf. Das Hypoidritzel 6 steht mit dem Tellerrad 7 in Eingriff und weist einen positiven Achsabstand von +1 und einen Achswinkel von ∑ = 45° auf.
Die gezeigte Getriebeanordnung wurde mit einem Außendurchmesser von nur 60 mm realisiert und mit einer Eingangsdrehzahl von n_an = 2.500 min^–1 und mit einem Eingangsdrehmoment T_an = 0,06 Nm über einen Antrieb 10 betrieben. Bei einer Getriebeübersetzung i_Ges = 90 ergab sich an der Abtriebswelle 3 eine Ausgangsdrehzahl von n_ab = 27,78 min^–1.
Ausführungsbeispiel 3
3 zeigt die Seitenansicht einer Ausführungsvariante der mechanischen Getriebeanordnung mit drei Zwischenbaugruppen. Eine Antriebswelle 1 weist eine Schnecke 4 auf. Die Rotationsachse der Antriebswelle 1 ist koaxial zur Rotationsachse der Abtriebswelle 3 über Lager 8 angeordnet. Am linken Ende der Abtriebswelle 3 ist ein Tellerrad als Abtriebszahnrad 7 angeordnet. Zwischen der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 3 sind mit einem Achswinkel von jeweils ∑ = 45° zu den Rotationsachsen der Antriebswelle 1 und der Abtriebswelle 3 drei Übertragungswellen 2a, 2b, 2c jeweils windschief angeordnet, die jeweils ein Schneckenrad 5a, 5b, 5c und jeweils ein Hypoidritzel 6a, 6b, 6c aufweisen. Die Übersetzung von den Hypoidritzel 6a, 6b, 6c auf das Tellerrad 7 beträgt i₂ = 5. Die Übertragungswellen 2a, 2b, 2c sind ortsfest im Gehäuse gelagert (nicht dargestellt). Die Schneckenräder 5a, 5b, 5c stehen mit der Schnecke 4 in Eingriff und weisen einen Achswinkel von ∑ = 45° auf. Die Hypoidritzel 6a, 6b, 6c stehen mit dem Tellerrad 7 in Eingriff und weisen jeweils einen positiven Achsabstand von +1 und einen Achswinkel von ∑ = 45° auf.
Die gezeigte Getriebeanordnung wurde mit einem Außendurchmesser von nur 60 mm realisiert und mit einer Eingangsdrehzahl von n_an = 2.500 min^–1 und mit einem Eingangsdrehmoment T_an = 0,06 Nm über einen Antrieb 10 betrieben. Bei einer Getriebeübersetzung i_Ges = 90 ergab sich an der Abtriebswelle 3 eine Ausgangsdrehzahl von n_ab = 27,78 min^–1 und ein Ausgangsdrehmoment von T_ab = 5 Nm. Die statische Festigkeit der Getriebeanordnung erreicht T_ab = 10 Nm.
Bezugszeichenliste

1: Antriebswelle
2: Übertragungswelle
3: Abtriebswelle
4: Schnecke
5, 5a, 5b, 5c: Schneckenrad
6, 6a, 6b, 6c,: Ritzel
7: Abtriebszahnrad
8: Lager
9: Gehäuse
10: Antrieb (Motor)
11: Anwendung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20100307270 A1 [0009]
EP 2406522 A1 [0010]
JP 01168568 A1 [0011]
DE 19736572 A1 [0012]
JP 2012184799 A1 [0013]
DE 29603376 U1 [0014]
DE 202007003419 U1 [0015]
DE 202013100134 U1 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Wittel u.a.: Maschinenelemente Normung, Berechnung, Gestaltung; Lehr- und Tabellenbuch, Wiesbaden: Springer Verlag, 2013 [0006]

Claims

Mechanische Getriebeanordnung enthaltend eine Antriebsbaugruppe, mindestens eine Zwischenbaugruppe und eine Abtriebsbaugruppe, wobei die Antriebsbaugruppe eine Antriebswelle mit einer Schnecke aufweist, und die mindestens eine Zwischenbaugruppe eine Übertragungswelle mit einem Schneckenrad und einem Ritzel aufweist, und die Abtriebsbaugruppe eine Abtriebswelle mit einem Abtriebszahnrad aufweist, und die Schnecke mit dem Schneckenrad in Eingriff steht, und das Ritzel mit dem Abtriebszahnrad in Eingriff steht, wobei die Rotationsachse der Antriebswelle und die Rotationsachse der Abtriebswelle koaxial angeordnet sind, und wobei die Rotationsachse der mindestens einen Zwischenbaugruppe windschief und mit einem Achswinkel von ∑ ≠ 90° zu den Rotationsachsen der Antriebswelle und der Abtriebswelle angeordnet ist.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 1, bei der mehrere Zwischenbaugruppen angeordnet sind.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 1, bei der die Rotationsachse der mindestens einen Zwischenbaugruppe zur Rotationsachse der Antriebwelle und Abtriebswelle in einem Achswinkel 0°< ∑ < 90° angeordnet ist.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 1, bei der das Schneckenrad thoroidisch, insbesondere elliptisch-thoroidisch ausgebildet ist.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 1, bei der das Ritzel mit dem Abtriebszahnrad einen Achsversatz von a ≠ 0 aufweist.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 5, bei der der Achsversatz der Rotationsachse des Ritzels zur Rotationsachse des Abtriebszahnrades negativ oder positiv ist.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 1, bei der das Abtriebszahnrad ein Tellerrad ist.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 1, bei der das Ritzel ein Hypoidzahnrad ist.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 1, bei der das Ritzel und das Abtriebszahnrad eine Geradverzahnung, Schrägverzahnung, Epizykloiden-Bogenverzahnung, Hypozykloidenverzahnung, verlängerte Evolventen-Bogenverzahnung, Kreisbogenverzahnung, Tangentenschrägverzahnung, Zyklo-Palloid-Verzahnung und/oder Gleason-Verzahnung aufweisen.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 1, bei der die Antriebsbaugruppe, die mindestens eine Zwischenbaugruppe und/oder die Abtriebsbaugruppe gelagert sind.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 10, bei der die Antriebswelle, die mindestens eine Übertragungswelle und/oder die Abtriebswelle einfach und/oder mehrfach gelagert sind.
Mechanische Getriebeanordnung nach Anspruch 1, bei der die Antriebswelle, die Übertragungswelle, die Abtriebswelle, die Schnecke, das Schneckenrad, das Ritzel und/oder das Abtriebszahnrad aus Baustahl, Vergütungsstahl, Einsatzstahl, Keramik, Kunststoff und/oder Verbundmaterialien bestehen.