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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung zur Übertragung von Drehbewegungen von einer ersten Welle auf eine zweite Welle sowie ein Gerät mit einer derartigen Getriebeanordnung.
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Stand der Technik
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Mittels sog. umschaltbarer Getriebe mit unterschiedlichen Getriebestufen besteht die Möglichkeit, eine Drehbewegung einer ersten Welle auf verschiedene Weisen auf eine zweite Welle zu übertragen. Die einzelnen Getriebestufen können durch jeweils unterschiedliche Anzahl und Anordnung von Zahnrädern realisiert werden, so dass jede Getriebestufe ein spezielles Übersetzungsverhältnis besitzt.
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Zumeist sind eine oder mehrere Kupplungen vorgesehen, um die erste Welle mit der gewünschten Getriebestufe drehfest zu verbinden. Weiterhin sind zumeist elektrische oder elektromechanische Ansteuerschaltungen vorgesehen, um die einzelnen Kupplungen anzusteuern und die gewünschte Getriebestufe auszuwählen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Getriebeanordnung sowie ein Gerät mit einer derartigen Getriebeanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Getriebeanordnung ist zur Übertragung von Drehbewegungen von einer ersten Welle auf eine zweite Welle vorgesehen und umfasst eine erste Getriebeeinheit mit einem ersten Übersetzungsverhältnis und eine zweite Getriebeeinheit mit einem zweiten Übersetzungsverhältnis.0 Das erste Übersetzungsverhältnis und das zweite Übersetzungsverhältnis sind insbesondere unterschiedlich. Die beiden Getriebeeinheiten können jeweils verschiedene Elemente aufweisen, beispielsweise jeweils zweckmäßige Zahnräder, Lager, usw. Insbesondere sind sowohl die erste Getriebeeinheit als auch die zweite Getriebenheit jeweils mit der ersten Welle und mit der zweiten Welle verbunden.
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Die erste Getriebeeinheit ist dazu eingerichtet ist, eine Drehbewegung der ersten Welle in einer ersten Drehrichtung gemäß dem ersten Übersetzungsverhältnis derart auf die zweite Welle zu übertragen, dass die zweite Welle in eine Drehbewegung in die erste Drehrichtung versetzt wird. Insbesondere überträgt die zweite Getriebeeinheit in diesem Fall keine Drehbewegung.
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Die zweite Getriebeeinheit ist dazu eingerichtet, eine Drehbewegung der ersten Welle in einer zweiten Drehrichtung gemäß dem zweiten Übersetzungsverhältnis derart auf die zweite Welle zu übertragen, dass die zweite Welle in eine Drehbewegung in die erste Drehrichtung versetzt wird. Die erste Getriebeeinheit überträgt in diesem Fall insbesondere keine Drehbewegung.
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Die erste Drehrichtung und die zweite Drehrichtung sind entgegengesetzt. Durch die Getriebeanordnung werden somit Drehbewegungen der ersten Welle in entgegengesetzten Drehrichtungen jeweils derart auf die zweite Welle übertragen, dass sich die zweite Welle stets in dieselbe, erste Drehrichtung dreht. Die Erfindung stellt somit eine Getriebeanordnung mit zwei verschiedenen Getriebestufen bereit, welche Drehbewegungen mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen auf die zweite Welle übertragen können und die zweite Welle dabei immer in dieselbe Drehrichtung versetzen. Um zwischen diesen zwei Getriebestufen umzuschalten, wird die Drehrichtung der ersten Welle umgekehrt. Somit kann zwischen den zwei Getriebestufen auf einfache, unkomplizierte Weise umgeschaltet werden, beispielsweise indem ein Motor, welcher zum Antrieb der ersten Welle vorgesehen ist, entsprechend angesteuert wird.
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Bei herkömmlichen Getriebeanordnungen mit verschiedenen Getriebestufen muss zumeist mittels einer mechanischen und/oder elektromechanischen Kupplung zwischen den verschiedenen Getriebestufen umgeschaltet werden. Dies ist jedoch zumeist mit großem baulichem Aufwand verbunden, da für die Kupplung zusätzlicher, großer Bauraum notwendig ist. Weiterhin ist zumeist eine zusätzliche externe bzw. separate Ansteuerung der Kupplung notwendig, beispielsweise mittels zusätzlicher elektrischer oder mechanischer Schaltungen.
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Durch die Erfindung wird eine umschaltbare Getriebeanordnung bereitgestellt, für welche keine zusätzlichen Kupplungen und keine zusätzlichen Ansteuerschaltungen benötigt werden. Insbesondere wird keine mechanische oder elektromechanische Schaltungen und Schaltelemente benötigt, um zwischen den Getriebestufen umzuschalten. Die Getriebeanordnung benötigt einen geringen Bauraum, kann konstruktiv einfach und kostengünstig realisiert werden und ist robust und ausfallsicher. Auch eine Synchronisation beim Umschalten ist unnötig.
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Vorteilhafterweise ist die erste Getriebeeinheit über ein erstes Freilaufelement mit der ersten Welle verbunden, welches nur eine Drehbewegung in der ersten Drehrichtung überträgt. Die zweite Getriebeeinheit ist vorzugsweise über ein zweites Freilaufelement mit der ersten Welle verbunden, welches nur eine Drehbewegung in der zweiten Drehrichtung überträgt. Derartige Freilaufelemente wirken nur in eine Drehrichtung und übertragen nur in dieser Drehrichtung Drehmoment und Drehzahl. In der anderen Drehrichtung laufen die Elemente frei und übertragen kein Drehmoment und keine Drehzahl. Durch diese Freilaufelemente kann eine automatische Umschaltung zwischen den zwei Getriebestufen realisiert werden, indem die Drehrichtung der ersten Welle umgekehrt wird.
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Vorzugsweise ist das Übersetzungsverhältnis von einer der beiden Getriebeeinheiten größer als eins. Mittels dieser Getriebeeinheit kann somit zweckmäßigerweise eine Drehzahl der zweiten Welle erzeugt werden, welche kleiner ist als die Drehzahl der ersten Welle (Untersetzung). Gleichzeitig kann ein Moment der zweiten Welle erzeugt werden, welches größer ist, als das Moment der ersten Welle. Das Übersetzungsverhältnis der anderen der beiden Getriebeeinheiten ist vorteilhafterweise geringer als eins. Zweckmäßigerweise kann mittels dieser anderen der beiden Getriebeeinheiten eine Drehzahl der zweiten Welle erzeugt werden, welche größer ist als die Drehzahl der ersten Welle. Gleichzeitig kann ein Moment der zweiten Welle erzeugt werden, welches kleiner ist, als das Moment der ersten Welle. Insbesondere weisen die beiden Getriebeeinheiten zu diesem Zweck eine geeignete Anzahl und Anordnung von Zahnrädern auf.
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Ein erfindungsgemäßes Gerät weist eine bevorzugte Ausgestaltung einer derartigen Getriebeanordnung gemäß obiger Beschreibung auf. Das Gerät ist insbesondere dazu vorgesehen, eine präzise, vorbestimmte Drehbewegung einer zweiten Welle zu erzeugen. Das Gerät weist einen Antrieb zur Erzeugung einer Drehbewegung einer ersten Welle (Antriebswelle) auf, z.B. einen Elektro- und/oder Servomotor. Der Antrieb kann dabei direkt mit der ersten Welle drehfest verbunden sein oder auch über ein weiteres Getriebe, z.B. über ein Planetengetriebe. Mittels der Getriebeanordnung werden Drehbewegungen von der ersten Welle auf die zweite Welle (Abtriebswelle) übertragen. Die Getriebeanordnung fungiert somit als umschaltbares Getriebe mit zwei Getriebestufen, um die Drehbewegung mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen auf die zweite Welle zu übertragen. Zum Umschalten der Getriebestufen muss lediglich die Drehrichtung des Antriebs umgekehrt werden.
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Mittels dieser Getriebeanordnung kann die zweite Welle somit insbesondere in zwei unterschiedliche Drehbewegungen jeweils in derselben Drehrichtung versetzt werden. Bevorzugt kann eine dieser Drehbewegungen mit vergleichsweise geringer Drehzahl aber vergleichsweise hohem Moment ausgeführt werden und die andere der beiden Drehbewegungen mit vergleichsweise hoher Drehzahl und vergleichsweise geringem Moment.
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Die Getriebeanordnung eignet sich besonders für Geräte, welche zwei unterschiedliche Drehbewegungen jeweils mit hoher Präzision erzeugen sollen, um Werkstücke zu bearbeiten bzw. herzustellen. Vorteilhafterweise ist das Gerät als Schrauber und/oder Bohrer und/oder Fräse ausgebildet. Das Gerät kann beispielsweise für die Kraftfahrzeugherstellung, die Luftfahrtindustrie oder für Heim- und Handwerk verwendet werden.
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Beispielsweise wenn das Gerät als Schrauber bzw. als Schraubgerät ausgebildet ist, kann die zweite Welle mit einem Schraubkopf drehfest verbunden sein, mittels welchem Schrauben eingedreht und festgezogen werden sollen. Insbesondere können mit dem Schraubwerkzeug automatisierte Schraubprozesse durchgeführt werden.
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Für derartige automatisierte Schraubprozessen ist die benötigte Taktzeit für eine Verschraubung eine signifikante Größe, um einen möglichst hohen Durchsatz zu erhalten. Eine besonders effektive Taktzeit kann erreicht werden, wenn die Schraube während der Eindrehphase mit hoher Drehzahl eingedreht wird. Zu diesem Zweck kann während der Eindrehphase vorteilhafterweise diejenige Getriebeeinheit der Getriebeanordnung verwendet werden, welche ein Übersetzungsverhältnis kleiner als eins besitzt und mittels welcher somit eine vergleichsweise hohe Drehzahl und eine vergleichsweise geringes Moment der zweiten Welle erzeugt wird.
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Um eine gute Schraubgenauigkeit bzw. ein ausreichend hohes Drehmoment bei Schraubprozessen zu erhalten, kann die Schraube nach der Eindrehphase in dem sog. Endanzug mit einer niedrigeren Drehzahl festgezogen werden. Zu diesem Zweck kann nach der Eindrehphase zwischen den Getriebestufen der Getriebeanordnung gewechselt werden. Während des Endanzugs kann somit vorteilhafterweise diejenige Getriebeeinheit der Getriebeanordnung verwendet werden, welche ein Übersetzungsverhältnis größer als eins besitzt und mittels welcher somit eine vergleichsweise geringe Drehzahl und ein vergleichsweise hohes Moment der zweiten Welle erzeugt wird.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Geräts, welches eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung aufweist.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist ein Schraubgerät schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet. Das Schraubgerät weist eine erste Welle (Antriebswelle) 101 und eine zweite Welle (Abtriebswelle) 102 auf. Ein Antrieb 103, beispielsweise ein Servomotor, ist über ein Planetengetriebe 104 mit der ersten Welle 101 verbunden und kann diese in Drehbewegung versetzen. Weiterhin kann ein Sensor 105 zum Bestimmen eines Drehwinkels und/oder eines Drehmoments der ersten Welle 101 vorgesehen sein. Die zweite Welle 102 ist drehfest mit einem Schraubkopf 106 verbunden.
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Zwischen die erste Welle 101 und die zweite Welle 102 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Getriebeanordnung 200 geschaltet. Die Getriebeanordnung 200 weist eine erste, hier als zweistufiges Stirnradgetriebe ausgebildete Getriebeeinheit 210 und eine zweite, hier als dreistufiges Stirnradgetriebe ausgebildete Getriebeeinheit 220 auf.
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Die erste Getriebeeinheit 210 ist über ein erstes Freilaufelement 211 mit der ersten Welle 101 verbunden. Weiterhin ist an dem ersten Freilaufelement 211 ein Zahnrad 212 angeordnet, welches mit einem weiteren Zahnrad 213 in Eingriff steht. Das Zahnrad 213 ist wiederum mit einer Zwischenwelle 214 drehfest verbunden, an welcher ein weiteres Zahnrad 215 drehfest befestigt ist. Dieses Zahnrad 215 steht in Eingriff mit einem weiteren Zahnrad 216, welches mit der zweiten Welle 102 drehfest verbunden ist.
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Die zweite Getriebeeinheit 220 ist über ein zweites Freilaufelement 221 mit der ersten Welle 101 verbunden. An dem zweiten Freilaufelement 221 ist wiederum ein Zahnrad 222 angeordnet, welches mit einem weiteren Zahnrad 223 in Eingriff steht. Das Zahnrad 223 ist mit einer Zwischenwelle 224 drehfest verbunden und steht weiterhin in Eingriff mit einem weiteren Zahnrad 225, welches mit einer weiteren Zwischenwelle 226 drehfest verbunden ist. Das Zahnrad 225 steht in mit einem Zahnrad 227, welches mit der zweiten Welle 102 drehfest verbunden ist.
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Die einzelnen Wellen der Getriebeanordnung 200 sind jeweils drehbar in entsprechenden Lagern gelagert. In 1 sind beispielsweise zwei dieser Lager mit den Bezugszeichen 201 und 202 bezeichnet.
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Die beiden Freilaufelemente 211 und 221 sind jeweils derart ausgebildet, dass sie Drehbewegung in nur einer Drehrichtung übertragen. Beispielsweis überträgt der Freilauf 211 nur eine Drehbewegung der ersten Welle 101 in linker Drehrichtung bzw. in Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn. Bei einer Drehbewegung der ersten Welle 101 in rechter Drehrichtung überträgt das Freilaufelement 211 keine Drehbewegung.
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Der zweite Freilauf 221 überträgt in diesem Beispiel nur eine Drehbewegung der ersten Welle 101 in rechter Drehrichtung bzw. im Uhrzeigersinn. Bei linker Drehrichtung der ersten Welle 101 überträgt der zweite Freilauf 221 keine Drehbewegung.
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Durch die spezielle Anzahl und Anordnung der einzelnen Zahnräder kann für jede der beiden Getriebeeinheiten 210 und 220 ein eigenes spezielles Übersetzungsverhältnis erzeugt werden. Weiterhin wird durch die Anzahl und Anordnung der einzelnen Zahnräder gewährleistet, dass die zweite Welle 102 durch beide Getriebeeinheiten 210 und 220 in dieselbe Drehrichtung versetzt wird, in diesem Beispiel stets in rechte Drehrichtung, also im Uhrzeigersinn.
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In diesem Beispiel besitzt die erste Getriebeeinheit 210 ein Übersetzungsverhältnis größer als eins. Das heißt, die Drehbewegung der ersten Welle 101 wird durch die erste Getriebeeinheit 210 derart auf die zweite Welle 102 übersetzt, dass eine Drehzahl verringert und ein Moment vergrößert wird.
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Die zweite Getriebeeinheit 220 besitzt beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis kleiner als eins, d.h. die Drehbewegung der ersten Welle 101 wird durch die zweite Getriebeeinheit 220 derart auf die zweite Welle 102 übersetzt, dass eine Drehzahl vergrößert und ein Moment verkleinert wird.
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Die Getriebeanordnung 200 stellt somit ein umschaltbares Getriebe mit zwei Getriebestufen dar. Zwischen diesen zwei Getriebestufen kann auf einfache und unkomplizierte Weise gewechselt werden, indem die Drehrichtung des Motors 103 bzw. der ersten Welle 101 gewechselt wird.
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Die erste Getriebeeinheit 210 ist somit dazu eingerichtet, eine Drehbewegung der ersten Welle 101 in rechter Drehrichtung gemäß dem ersten Übersetzungsverhältnis größer als eins auf die zweite Welle 102 zu übertragen, so dass die zweite Welle in Drehbewegung in rechter Drehrichtung versetzt wird.
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Die zweite Getriebeeinheit 220 ist dazu eingerichtet, eine Drehbewegung der ersten Welle 101 in linker Drehrichtung gemäß dem zweiten Übersetzungsverhältnis kleiner als eins auf die zweite Welle 102 zu übertragen, so dass die zweite Welle in Drehbewegung ebenfalls in rechter Drehrichtung versetzt wird.
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Das Schraubgerät 100 kann somit dazu verwendet werden, um präzise, schnell und effektiv automatisierte Schraubprozesse durchzuführen und mittels des Schraubkopfes 106 Schrauben festzudrehen.
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Um dabei die entsprechende Schraube im Zuge einer Eindrehphase zunächst einzudrehen, wird der Schraubkopf mit einer vergleichsweise hohen Drehzahl betrieben. Zu diesem Zweck wird der Motor 103 derart angesteuert, dass die erste Welle 101 in Drehbewegung mit rechter Drehrichtung versetzt wird. In diesem Fall wird die Drehbewegung von der ersten Welle 101 auf die zweite Welle 102 über die zweite Getriebeeinheit 220 übertragen. Die Schraube kann nun mit hoher Drehzahl und geringem Moment eingedreht werden.
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Um im Zuge eines Endanzugs die Schraube mit hoher Schraubgenauigkeit festzuziehen, wird nach der Eindrehphase zwischen den Getriebestufen der Getriebeanordnung 200 gewechselt. Zu diesem Zweck wird der Motor 103 derart angesteuert, dass die erste Welle 101 in Drehbewegung mit linker Drehrichtung versetzt wird, so dass diese Drehbewegung über die erste Getriebeeinheit 210 auf die zweite Welle 102 übertragen wird. Die Schraube kann nun mit geringer Drehzahl und hohem Moment festgezogen werden.
