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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Planetengetriebe.
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Planetengetriebe mit zwei Hohlrädern und einem Steg (Exzenter), auf dem ein Stufenplanetenrad drehbar gelagert ist (auch als Plusgetriebe bezeichnet), zeichnen sich durch einen einfachen Aufbau und durch einen guten Getriebewirkungsgrad aus. Durch den zentralen Exzenter bauen sie besonders kompakt und können sehr große Übersetzungsverhältnisse mit wenigen Zahnrädern erreichen. Das Übersetzungsverhältnis bestimmt sich u.a. durch die Zähnezahlen des Stufenplanetenrads, sowie aus den unterschiedlichen Zähnezahlen der beiden Hohlräder. Bei dieser Bauart kann die Zähnezahldifferenz zwischen außenverzahntem Stufenplanetenrad und einem Hohlrad bis zu einem Minimum von 1 ausgeführt sein, woraus die hohen Übersetzungsverhältnisse > 100 und mehr resultieren. Die Standübersetzung i ergibt sich bei festgehaltenem Steg aus
und kann nahe i = 1 erreichen, wenn das Zähnezahlverhältnis der beiden Hohlräder Z
H1/Z
H2 dem Zähnezahlverhältnis der beiden Planetenräder Z
p1/Z
p2 entspricht. Die sich ergebende Umlaufübersetzung durch Festhalten eines Hohlrads ist dann dementsprechend sehr groß.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Planetengetriebe anzugeben.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Planetengetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angeführt.
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Es wird vorgeschlagen, dass das zwischen einer antriebsseitigen, radialen Gehäusewand und einem radialen Flansch des abtriebsseitigen Hohlrads angeordnete Planetenrad über ringförmige, radial nicht führende Axiallager gegen Kippmomente geführt ist. Es wurde erkannt, dass bei günstig gewählten Zahneingriffswinkeln und Zähnezahlen in Umlaufrichtung (tangential) bereits ein hoher, getriebetechnischer Wirkungsgrad erzielt ist, der aber durch die Ausschaltung der Kippmomente am Planeten noch weiter steigerbar ist. Die zusätzliche, seitliche Führung des Planetenrads ermöglicht zudem, dass dieses weniger breit ausgeführt sein muss, weil die Radiallager des Planenterades jetzt die Kippmomente nicht mehr aufnehmen müssen, wodurch das gesamte Planetengetriebe in axialer Richtung kürzer ausgelegt werden kann. Die Verzahnungen des Planetenrads können ggf. dann durch Feinstanzen kostengünstig hergestellt werden.
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Die Axiallager können z.B. auch reibungsoptimierte Anlaufscheiben, Beschichtungen, etc. sein. Bevorzugt wird jedoch vorgeschlagen, dass die Axiallager durch in Käfigen geführte Kugellager gebildet sind, die an in radialer Richtung nicht formschlüssig wirkenden, parallelen und zur Drehachse senkrechten Laufbahnen an dem Planetenrad, an der Gehäusewand und an dem Flansch des Hohlrads anlaufen. Daraus resultiert an dem exzentrisch umlaufenden Planetenrad eine reine Wälzlagerung ohne Gleitreibungsanteile in radialer Richtung.
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Ferner können in fertigungstechnisch und baulich günstiger Weise die Laufbahnen unmittelbar an dem anlaufenden Planetenrad und/oder der Gehäusewand und/oder dem Flansch des Hohlrads ausgeführt bzw. eingeschliffen sein; separate Lagerringe können entfallen.
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Des Weiteren können die Käfige der Kugellager an axial einragenden, ringförmigen Fortsätzen an der Gehäusewand und an dem Flansch des Hohlrads abgestützt sein, wobei zwischen den Fortsätzen und den Käfigen ein definierter Umfangsspalt vorgesehen ist. Der Umfangsspalt stellt sicher, dass sich die Kugellager trotz deren radialer Verschiebbarkeit nicht unzulässig verlagern können.
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In besonders zweckmäßiger, weiterer Ausgestaltung kann das Planetenrad über ein Nadellager auf dem Exzenter gelagert sein, wobei die innere Laufbahn und ggf. auch die äußere Laufbahn des Nadellagers unmittelbar am Außenumfang des Exzenters bzw. in der Bohrung des Planetenrads gebildet sein kann.
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Ferner kann das drehbare Hohlrad über eine Abtriebswelle in der abtriebsseitigen Gehäusewand des Gehäuses über ein axial führendes Lager und ein radial führendes Wälzlager gelagert sein, wobei das Axiallager die auf das Hohlrad wirkenden Kippmomente gegenüber dem Gehäuse abstützt. Alternativ kann auch ein axial und radial führendes Wälzlager (z.B. Kugellager oder Schrägschulterlager) verwendet sein.
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Besonders montagegünstig kann der Exzenter über eine Steckverzahnung auf einer Antriebswelle drehfest angeordnet sein, welche Antriebswelle in der antriebsseitigen Gehäusewand über ein axial und radial führendes Kugellager gelagert ist und mit einem angeformten Lagerzapfen und über ein radial führendes Wälzlager in der Abtriebswelle abgestützt ist. Das Wälzlager zwischen dem Lagerzapfen der Antriebswelle und der Abtriebswelle kann in baulich einfacher Weise ein Nadellager sein, dessen rotationssymmetrische Laufbahnen unmittelbar an dem Lagerzapfen und in einer Bohrung der Abtriebswelle ausgebildet sind.
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Des Weiteren kann das gehäusefeste Hohlrad des Planetengetriebes über eine Steckverzahnung in das Gehäuse eingesetzt und dort axial gesichert sein. Damit sind unterschiedliche Werkstoffe und Fertigungsverfahren zur Erzielung einer kostengünstigen Konstruktion einsetzbar.
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Dazu kann ferner das Gehäuse des Planetengetriebes zweigeteilt ausgeführt sein, mit einem topfförmigen Gehäuseabschnitt, in dem die Hohlräder, das Planetenrad und der Exzenter aufgenommen sind und die Abtriebswelle gelagert ist, und mit einem flanschförmigen Gehäuseabschnitt, in dem die Antriebswelle gelagert ist und der das Gehäuse abschließt.
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In einer bevorzugten Auslegung des Planetengetriebes wird schließlich vorgeschlagen, dass die Zähnezahldifferenz der beiden Zahnradstufen jeweils zwischen 3 bis 7 beträgt. Eine derartige Auslegung garantiert einen hohen getriebetechnischen Wirkungsgrad bei guten Abwälzverhältnissen, bei denen (Belastungsspitzen ausgenommen) stets nur ein Zahn je Zahnradstufe nahezu ohne Wälzreibung in Eingriff ist.
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In einer weiteren möglichen Ausgestaltung sind die Zähnezahlen des ersten Verzahnungsbereichs Zp1 und des zweiten Verzahnungsbereichs Zp2 identisch bzw. gleich. Das Planetenrad ist daher in solchen Ausgestaltungen bevorzugt als einteiliges Zahnrad ausgebildet, mit durchgehender Verzahnungsgeometrie. Jeder Zahn erstreckt sich also bevorzugt durchgehend über die Breite des Planetenrads.
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In solchen Ausgestaltungen unterscheiden sich die beiden Hohlräder in ihrer Zähnezahl ZH1, ZH2, wobei die Zähnezahldifferenz hier bevorzugt kleiner 10, noch bevorzugter kleiner 5 und noch bevorzugter kleiner 3 ist, wie z.B. 1 oder 2. Bevorzugt ist die Zähnezahldifferenz der Hohlräder 1.
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Bei einem Planetenrad bei dem die Zähnezahlen des ersten Verzahnungsbereichs Zp1 und des zweiten Verzahnungsbereichs Zp2 identisch bzw. gleich sind, ist der Zahneingriff zwischen dem Planetenrad und einem der beiden Hohlräder beispielsweise wirkunsgradoptimal ausgelegt (Wälzpunkt C in der Mitte der Eingriffsstrecke und Profilüberdeckung εα=1). Der Zahneingriff zwischen dem Planetenrad und dem anderen Hohlrad kann dann aufgrund der anderen Zähnezahl des anderen Hohlrads nicht wirkungsgradoptimal sein, das heißt, der Wälzpunkt C liegt nicht mehr in der Mitte der Eingriffsstrecke und die Profilüberdeckung ist εα> 1). Alternativ kann auch der zweite Zahneingriff wirkungsgradoptimal ausgebildet sein, indem beipsielsweise die Zahnform des anderen Hohlrads speziell ausgebildet wird (z.B. durch Zahnfussausrundung)
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Zur Vermeidung einer nicht wirkungsgradoptimalen Ausbildung und zur Vermeidung von einer speziellen, meist tragfähigkeitsmindernden Ausbildung der Zahnform des anderen Hohlrads ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung das Planetenrad mit Zp1 = Zp2 (Zähnezahlen) zwar mit einer einzigen Verzahnungsgeometrie ausgebildet (Grundkreis gleich), der Kopfkreis des ersten Verzahnungsbereichs, der mit dem ersten Hohlrad kämmt, ist aber verschieden zu dem Kopfkreis des zweiten Verzahnungsbereichs ausgebildet.
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Weitere Ausführungsbeispiele sind im Folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in:
- 1 einen Längsschnitt gemäß Linie I - I der 2 durch ein als Plusgetriebe ausgeführtes Planetengetriebe mit zwei Hohlrädern, einem Planetenrad - hier als Stufenplanetenrad mit Zp1≠Zp2 -, einem antreibenden Exzenter und einer zusätzlichen Axiallagerung des Planetenrads im Gehäuse nach einem ersten Ausführungsbeispiel; und
- 2 einen Querschnitt entlang der Linie II - II der 1 durch das Planetengetriebe nach dem ersten Ausführungsbeispiel.
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In den 1 und 2 ist mit 10 ein als Plusgetriebe ausgeführtes Planetengetriebe bezeichnet, das sich im Wesentlichen aus einem Gehäuse 12, zwei innenverzahnten Hohlrädern 14, 16, einen mit den Hohlrädern 14, 16 kämmenden, außenverzahnten Planetenrad 18 und einem antreibenden Exzenter 20 zusammensetzt.
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Das Planetenrad weist zwei Verzahnungsbereiche auf. Der erste Verzahnungsbereich Zp1 kämmt mit der Innenverzahnung ZH1 des ersten, gehäusefesten Hohlrads 14. Der zweite Verzahnungsbereich Zp2 kämmt mit der Innenverzahnung ZH2 des zweiten Hohlrads 16. Das Planetenrad 18 kann einstückig wie dargestellt oder aus zwei zusammengefügten (verschraubten, verschweißten etc.) Planetenrädern gebildet sein.
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Der antreibende Exzenter 20 (funktionell als Steg des Planetengetriebes wirkend) ist mit einer definierten Exzentrizität e auf einer nur teilweise dargestellten Antriebswelle 22 über eine Steckverzahnung 24 angeordnet und trägt über ein integriertes Nadellager 26 (oder Rollenlager) das Planetenrad 18.
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Die Wälzelemente bzw. Nadeln des Nadellagers 26 laufen dabei direkt auf dem rotationssymmetrischen Außenumfang 20a des Exzenters 20 an und sind über einen in das Planetenrad 18 eingepressten Lageraußenring 26a geführt. Wahlweise kann auf diesen Lageraußenring 20a verzichtet werden und das Lager 26 direkt in der Bohrung des Planetenrades 18 laufen.
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Das drehbar im Gehäuse 12 angeordnete Hohlrad 16 ist topfförmig gestaltet, mit einem radial ausgerichteten Flansch 16a und einer daran angeformten, nur teilweise dargestellten Abtriebswelle 30.
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Das Gehäuse 12 des Planetengetriebes 10 ist zweiteilig ausgeführt, mit einem topfförmigen Gehäuseabschnitt 12a und einem flanschförmigen Gehäuseabschnitt 12b, die mittels radial äußeren Ringabschnitten 12c durch nicht dargestellte Schraubverbindungen miteinander fest verbunden sind.
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Die Antriebswelle 22 und die Abtriebswelle 30 sind in den korrespondierenden Nabenabschnitten der Gehäuseabschnitte 12a, 12b koaxial mittels radial und optional auch axial führender Wälzlager bzw. Kugellager 32, 34 drehbar gelagert und über Wellendichtringe 36 nach außen abgedichtet.
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Zudem ist die Antriebswelle 22 mit einem angeformten Lagerzapfen 22a versehen, der in eine zentrische Bohrung 30a der Abtriebswelle 30 einragt und in dieser über ein integriertes Nadellager 38 ohne Verwendung separater Lagerringe drehbar gelagert ist.
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Das gehäusefeste Hohlrad 14 ist über eine Steckverzahnung 28 in den Gehäuseabschnitt 12a fest eingesetzt und mittels eingesetzter Sicherungsringe 40 axial gesichert.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Hohlräder 14, 16 zueinander unterschiedliche Zähnezahlen auf (z.B. ZH1 = 56, ZH2 = 55) und weisen auch der erste Verzahnungsbereich Zp1 und der zweite Verzahnungsbereich Zp2 des Planetenrads 18 zueinander unterschiedlichen Zähnezahlen (z.B. Zp1 = 51, Zp2 = 50) auf. Durch die in der Kraftübertragung zwischen den Zahnpaarungen wirkenden gegensinnigen Kräfte (gegensinnig wirkende Zahndrücke) treten an dem Planetenrad 18 Kippmomente auf, die über beidseitig (antriebsseitig und abtriebsseitig) eingesetzte Axialkugellager 42 abgestützt sind. Über ein weiteres Axialkugellager 44 können in diesem Ausführungsbeispiel die durch das abtriebsseitige Axialkugellager 42 in den radial ausgerichteten Flansch 16a des Hohlrads eingeleiteten Kräfte zum Gehäuse 12 hin abgestützt werden.
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Das antriebsseitige Axialkugellager 42 setzt sich aus einem ringförmigen Lagerkäfig 42a und darin geführten Wälzelementen bzw. Kugeln 42b zusammen und ist zwischen der radialen Gehäusewand des Gehäuseabschnittes 12b und der seitlichen Radialfläche des Planetenrads 18 eingesetzt. Die entsprechenden Laufbahnen 12d und 18d des Axialkugellagers 42 sind linear ausgeführt bzw. eingeschliffen.
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Daraus resultiert, dass das antriebsseitige Axialkugellager 42 nur axial führt, in radialer Richtung aber die exzentrischen Bewegungen des Planetenrads 18 mit der Exzentrizität e des Exzenters 20 zulässt.
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Das abtriebsseitige Axiallager 42 ist baugleich ausgeführt, wobei hier jedoch die von dem Planetenrad 18 abgewandte, lineare Laufbahn 16d in den Flansch 16a des Hohlrads 16 eingearbeitet ist.
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Radial innerhalb der Axialkugellager 42 sind am Gehäuseabschnitt 12a und am Flansch 16a des Hohlrads 16 ringförmige Vorsprünge 12e, 16e vorgesehen, die in die Axialkugellager 42 teilweise einragen und die die Lagerkäfige 42a unter Berücksichtigung der auftretenden exzentrischen Bewegungen (definierter Umfangsspalt) abstützen bzw. zentrieren.
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Das zwischen dem Flansch 16a des Hohlrads 16 und der korrespondierenden, radialen Gehäusewand des Gehäuseabschnitts 12a angeordnete weitere Axialkugellager 44 ist axial und radial führend, wobei die entsprechenden Laufbahnen an die Kugelradien entsprechend angepasst bzw. gekrümmt eingeschliffen sind.
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Über das Axialkugellager 44 werden u.a. die von dem abtriebsseitigen Axialkugellager 42 aufgenommenen Axialkräfte (aufgenommenen Kippmomente) am Planetenrad 18 in das Gehäuse 12 des Planetengetriebes 10 weitergeleitet und das Hohlrad 16 zusätzlich geführt. Die radiale Führung des Hohlrads 16 übernimmt z.B. das Kugellager 34 (siehe oberer Abschnitt in 1). In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht eine radiale Überbestimmtheit aufgrund der für das Axialkugellager 44 vorgesehenen Laufbahnen in dem Gehäuse 12a und dem Flansch 16a. Diese kann durch Weglassen einer der Laufbahnen aufgehoben werden. In der dargestellten Ausführungsbeispiel besteht eine axiale Überbestimmtheit aufgrund Anordnung des Kugellagers 34 auf der Abtriebswelle und in dem Gehäuse. Diese kann durch Vorsehen eines Spalts zwischen Lager und Lagerflansch aufgehoben werden.
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Alternativ wird das Hohlrad 16 über ein Schrägkugellager bzw. Kugellager 34 im Gehäuse 12 gelagert und der Radsatz (Hohlrad 16, Planetenrad 18) über Anlaufscheiben 50 (siehe unterer Abschnitt der 1) axial spielfrei eingestellt.
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Mit der beispielsweise angegebenen Zähnezahldifferenz (56 : 51; 55 : 50) von jeweils 5 Zähnen wird ein getriebetechnisch hoher Wirkungsgrad erzielt, indem im Eingriffbereich (vgl. 2, bei 46) jeweils nur ein Zahn zwischen den Hohlradstufen ZH1, Zp1 und ZH2, Zp2 in Eingriff ist, während der jeweils nächste Zahn bereits im µ-Bereich abgehoben ist und nur bei Belastungsspitzen (Schockfestigkeit) zum Tragen kommt. Das erzielbare Umlaufübersetzungsverhältnis beträgt beispielsweise ca. 600.
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Mit akzeptablen Wirkungsgraden können Planetengetriebe 10 wie beschrieben bei einer Vielzahl von Applikationen bei elektromechanischen Stellantrieben eingesetzt werden, bei denen langsame Abtriebsbewegungen benötigt werden:
- a) Automobil:
- - Scheibenwischer
- - Sitzverstellung
- - Klappen- und Türenbetätigungen
- - Fensterheber
- - Lenkungen
- b) Industrie:
- - Rolltreppen
- - Aufzüge
- - Windenergieanlagen
- - Fertigungsroboter
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Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.
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Anstelle der Axialkugellager 42 mit linearen Laufbahnen könnten auch reibungsmindernde Anlaufscheiben (z.B. eine Kombination aus Stahl- und Kunststoffscheiben) oder reibungsmindernde Beschichtungen am Gehäuse 12 und/oder am Planetenrad 18 und/oder am Flansch 16a des Hohlrads 16 verwendet sein, die reibungsarm die Kippmomente am Planetenrad 18 abstützen.
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Im Folgenden werden weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. Soweit nichts anderes angegeben ist, sind diese identisch zum ersten Ausführungsbeispiel und können auch in Teilen mit dem ersten Ausführungsbeispiel kombiniert werden.
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In einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) sind die Zähnezahlen des ersten Verzahnungsbereichs Zp1 und des zweiten Verzahnungsbereichs ZP2 identisch bzw. gleich. Das Planetenrad ist daher in diesem Ausführungsbeispiel als einteiliges Zahnrad ausgebildet, mit durchgehender Verzahnungsgeometrie. Jeder Zahn erstreckt sich also bevorzugt durchgehend über das gesamte Planetenrad bzw. dessen gesamte Breite.
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Auch in einem solchen Ausführungsbeispiel (nicht dargestellt) unterscheiden sich die beiden Hohlräder in ihrer Zähnezahlen ZH1, ZH2, wobei die Zähnezahldifferenz hier bevorzugt kleiner 20, noch bevorzugter kleiner 10 und noch bevorzugter kleiner 5 ist, wie z.B. 1, 2 oder 3. Der Zahneingriff zwischen dem Planetenrad und einem der beiden Hohlräder ist beispielsweise wirkunsgradoptimal ausgelegt (Wälzpunkt C in der Mitte der Eingriffsstrecke und Profilüberdeckung εα=1). Der Zahneingriff zwischen dem Planetenrad und dem anderen Hohlrad ist aufgrund der anderen Zähnezahl des anderen Hohlrads dann nicht wirkungsgradoptimal, das heißt, der Wälzpunkt C liegt nicht mehr in der Mitte der Eingriffsstrecke und die Profilüberdeckung ist εα> 1). Alternativ kann auch der zweite Zahneingriff optimal ausgebildet werden, indem die Zahnform des anderen Hohlrads speziell angepasst wird.
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Zur Vermeidung einer nicht wirkungsgradoptimalen Ausbildung und zur Vermeidung von speziellen Anpassungen der Zahnform des anderen Hohlrads, die meist tragfähigkeitsmindernd sind, werden in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei denen die Zähnezahlen Z
p1 und Z
p2 gleich sind, die Zahneingriffe ähnlich denen in der
DE 10 2011 108 473 A1 Beschrieben ausgebildet. D.h. das Planetenrad ist zwar mit einer einzigen Verzahnungsgeometrie ausgebildet (Grundkreis gleich), der Kopfkreis des ersten Verzahnungsbereichs, der mit dem ersten Hohlrad kämmt, ist aber verschieden zu dem Kopfkreis des zweiten Verzahnungsbereichs.
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Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011108473 A1 [0044]
