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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellengenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Spannungswellengetriebe gemäß Anspruch 8.
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Spannungswellengetriebe sind bekannt und werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Lenkgetrieben oder in Industrierobotern. Spannungswellengetriebe umfassen drei wesentliche Bauteile. Das erste Bauteil ist ein elliptisches Antriebsbauteil, das als Wellengenerator bezeichnet wird. Das zweite Bauteil ist ein elastisch verformbares, außenverzahntes Übertragungsbauteil, das als Flexspline bezeichnet wird. Das dritte Bauteil ist ein starres Getriebebauteil, das auch Circularspline genannt wird und eine kreisringförmige Innenverzahnung aufweist. Der Flexspline und der Circularspline sind zueinander verdrehbar.
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Der Wellengenerator verformt den Flexspline so, insbesondere in eine elliptische Form, dass sich dessen Außenverzahnung partiell mit der Innenverzahnung des starren Getriebebauteils im Eingriff befindet. Der Wellengenerator umfasst eine Eingangswelle und wird zur Erzeugung einer Wellenbewegung im Flexspline eingesetzt. Die drehangetriebene Eingangswelle und der elliptisch geformte Teil des Wellengenerators geben die elliptische Form umlaufend an den elastisch verformbaren Flexspline weiter. Durch das Drehen des Wellengenerators verlagert sich also der Eingriff zwischen der Außenverzahnung und der Innenverzahnung in Umfangsrichtung. Die Innenverzahnung des starren Getriebebauteils weist weniger Zähne auf als die Außenverzahnung des Flexsplines. Die Innenverzahnung weist beispielsweise zwei Zähne weniger auf als die Außenverzahnung. Aufgrund der unterschiedlichen Zähnezahlen zwischen der Außenverzahnung und der Innenverzahnung ergibt sich beim Antrieb durch den Wellengenerator eine Relativbewegung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis zwischen dem Wellengenerator und dem Flexspline. Der Flexspline kann beispielsweise als Abtrieb dienen und mit einer Abtriebswelle verdrehfest verbunden sein.
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Vorteile von Spannungswellengetrieben sind unter anderem verhältnismäßig kompakte Abmessungen bei sehr hohen Übersetzungen und eine hohe Positioniergenauigkeit zwischen Antrieb und Abtrieb. Derartige Spannungswellengetriebe werden beispielsweise in Industrierobotern verwendet. Dabei wird der Wellengenerator des Spannungswellengetriebes in der Regel von einem Elektromotor angetrieben.
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Der Wellengenerator weist an einem Außenumfang einen Lagersitz für ein Wälzlager auf, welches zwischen dem Wellengenerator und dem Flexspline angeordnet ist. Ein Lageraußenring des Wälzlagers verformt sich im Betrieb ebenfalls umlaufend entsprechend der Rotation des Wellengenerators. Das Wälzlager lässt Verdrehungen zwischen dem Wellengenerator und dem Flexspline zu und überträgt gleichzeitig die Wellenbewegung des elliptisch geformten Wellengenerators auf den elastisch verformbaren Flexspline und dessen Außenverzahnung. Dazu sind zumindest Teile des Wälzlagers in radialer Richtung elastisch verformbar. Mit anderen Worten ist das Wälzlager radial flexibel.
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In der Praxis hat sich der Sitz des radialflexiblen Wälzlagers bzw. seines Lagerinnenrings auf dem Lagersitz des Wellengenerators als nicht ausreichend sicher erwiesen, was zu Schäden an den Spannungswellengetriebe und dessen Bauteilen führen kann. Dies hat folgenden Hintergrund. Der Lagerinnenring und der Lageraußenring des radialflexiblen Wälzlagers werden in der Regel mit einem sehr dünnen und daher flexiblen Querschnitt ausgeführt, um die geforderte Flexibilität bzw. Elastizität zu erreichen. Das radialflexible Wälzlager wird auf den elliptischen Lagersitz aufgezogen, wobei das Lager dadurch ebenfalls eine elliptische Form annimmt. In den beiden Bereichen der Hauptscheitel der Ellipse sind der elliptische Lagersitz und der Innendurchmesser des Lagerinnenrings in Kontakt. Im Bereich der Nebenscheitel der Ellipse befindet sich der Lagerinnenring nur in einem sehr leichten Kontakt zum Lagersitz oder weist sogar einen Abstand dazu auf. Durch die Verformung der Lagerringe beim Aufziehen auf den elliptischen Lagersitz werden die Lagerringe elastisch verformt. Durch das Bestreben der Lagerringe sich wieder in die ursprüngliche Kreisform zurück zu verformen, wird in den Flächenabschnitten, an denen sich der elliptische Lagersitz und der Lagerinnenring im Kontakt befinden, eine Kontaktpressung erzeugt, die das Lager durch die vorhandene Reibung sowohl axial als auch in Umfangsrichtung in Position hält.
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Das radialflexible Wälzlager wird also sowohl axial als auch in Umfangsrichtung durch Kräfte in Position gehalten, die durch eine Biegeverformung der Lagerringe, insbesondere des Lagerinnenrings, erzeugt werden müssen. Deshalb sind die erreichbaren Kontaktpressungen im Sinne einer Lagerpassung begrenzt. Insbesondere die dünnen Ringquerschnitte und der eingesetzte, relativ spröde Wälzlagerwerkstoff setzen enge Grenzen bei der Gestaltung des Lagersitzes. Als Folge davon kann das radialflexible Wälzlager auf dem Lagersitz nicht ausreichend sicher festgehalten werden. Nach dem Stand der Technik kommen hier beispielweise mechanische Axialsicherungen zum Einsatz, die das axiale Wandern des Lagers auf dem elliptischen Wellenkörper auf ein tolerierbares Maß einschränken.
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Aus der
DE 10 2017 111 012 A1 ist ein Wellengenerator für ein Spannungswellengetriebe bekannt, wobei zur Fixierung des Lagerinnenrings auf dem Lagersitz ein axial über den Lagersitz hervorstehender Umformabschnitt vorgeschlagen wird, der nach dem Anordnen eines radialflexiblen Wälzlagers auf dem Lagersitz plastisch verformt wird. Auf diese Weise kann eine Fixierung der Axialstellung des radialflexiblen Wälzlagers auf dem Lagersitz des Wellengenerators erreicht werden.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2015 104 316 A1 ein Wellgetriebe mit einem exzentrischen Antriebskern bekannt, wobei auf eine Umfangsfläche des exzentrischen Antriebskerns ein flexibles Wälzlager aufgezogen ist. Der Antriebskern erfüllt auch hier die Funktion eines Wellengenerators.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wellengenerator für ein Spannungswellengetriebe und ein entsprechendes Spannungswellengetriebe zu schaffen, bei denen insbesondere ein kompakter Aufbau des Spannungswellengetriebes und ein sicherer Sitz des radialflexiblen Wälzlagers auf dem Lagersitz des Wellengenerators über eine lange Lebensdauer erreichbar sind.
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Diese Aufgabe wird durch einen Wellengenerator mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Spannungswellengetriebe gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es wird ein Wellengenerator für ein Spannungswellengetriebe vorgeschlagen, der einen Lagersitz für ein radialflexibles Wälzlager aufweist. Der Lagersitz weist eine reibungserhöhende Beschichtung auf. Gegenüber nicht beschichteten Lagersitzen wird so eine signifikante Erhöhung des Reibungskoeffizienten und damit eine höhere Sicherheit im Hinblick auf die dauerhafte Fixierung des radialflexiblen Wälzlagers auf dem Lagersitz erreicht. Der Lagersitz kann insbesondere als Umfangsfläche ausgeführt sein, die eine zumindest annähernd elliptische Querschnittsform aufweist.
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Durch die Steigerung des Reibungskoeffizienten können die, in den Kontaktflächen zwischen Lager und elliptischem Lagersitz vorhandenen und durch die geometrischen Verhältnisse, insbesondere des Lagerinnenrings, begrenzten, Normalkräfte sehr viel besser zur Vermeidung von axialem Wandern des flexiblen Lagerinnenring und zur Verringerung von umfangsgerichteten Mikrobewegungen ausgenutzt werden. Zumindest der Teil des Wellengenerators, auf dem der Lagersitz angeordnet ist, kann durch die reibungserhöhende Beschichtung aus einem Werkstoff mit einer geringeren Festigkeit und Härte hergestellt werden, was zu einfacheren Herstellungsverfahren und zu geringeren Materialkosten führt. So kann beispielsweise der Lagersitz mit einer niedrigeren Oberflächenqualität hergestellt werden, was preisgünstigere Herstellungsverfahren ermöglicht, beispielsweise kann der Lagersitz durch Drehen anstatt durch Schleifen hergestellt werden.
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Insbesondere die Nachteile aufgrund von umfangsgerichteten Mikrobewegungen können durch die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen nicht zufriedenstellend gelöst werden. Zusätzlich zu den beschriebenen axialen Relativbewegungen des radialflexiblen Wälzlagers auf dem Lagersitz sind in der Praxis, insbesondere bei hochbelasteten Spannungswellengetrieben, Mikrobewegungen der Kontaktpartner in Umfangsrichtung aufgetreten, die in weiterer Folge zu Passungsrost geführt haben. Passungsrost ist eine Verschleißerscheinung, die auf Reibkorrosion und Tribooxidation zurückzuführen ist. Die dabei gebildeten sehr harten Oxidpartikel führen zusammen mit den erwähnten Mikrobewegungen zu einem Verschleiß an dem Lagersitz und dem Lagerinnenring. Überwiegend ist davon der Lagersitz an dem Wellengenerator betroffen, der üblicherweise aus einem weicheren Werkstoff als der Lagerinnenring hergestellt ist. Ist der Verschleiß weit genug fortgeschritten, so wird der hochbelastete und gleichzeitig sehr dünn ausgeführte Lagerinnenring im Bereich um die Hauptscheitel der Ellipse nicht mehr ausreichend abgestützt. Es kommt zum Bruch. Zusätzlich werden die verschleißbehafteten Elemente des Getriebes durch stetig steigende Kontamination mit den harten Eisenoxidpartikeln immer stärker belastet, wodurch die Lebensdauer des Systems stark herabgesetzt wird. Beide genannten Nachteile werden durch die reibungserhöhende Beschichtung behoben.
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Durch die reibwerterhöhende Beschichtung und die damit verbundene Steigerung des Reibungskoeffizienten am Lagersitz können die begrenzten Normalkräfte in den Kontaktflächen besser zur Vermeidung von axialen und umfangsgerichteten Bewegungen ausgenutzt werden. Axiales Wandern und Passungsrost infolge umfangsgerichteter Mikrobewegungen werden verhindert. Für viele Anwendungen kann dadurch eine geringere Fläche des Lagersitzes ausreichen, wodurch wiederum kompaktere Abmessungen des Wellengenerators und des gesamten Spannungswellengetriebes erreichbar sind.
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Zur Erreichung der genannten Vorteile kann es ausreichen, wenn nicht der gesamte Lagersitz mit der reibungserhöhenden Beschichtung beschichtet ist, sondern nur die beiden Bereiche um die Hauptscheitel der Ellipse, an denen der elliptische Lagersitz und der Innendurchmesser des Lagerinnenrings in Kontakt sind. Im Hinblick auf eine effiziente Herstellung kann es jedoch vorteilhaft sein den gesamten Lagersitz zu beschichten.
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Es sind verschiedene Arten von reibungserhöhenden Beschichtungen bekannt. In einer Ausführung der Erfindung kann vorzugsweise eine Hartpartikelbeschichtung verwendet werden. Dabei kann die Beschichtung Hartpartikel aus Diamant oder Carbid, insbesondere Wolframcarbid, Borcarbid und/oder Siliciumcarbid, beinhalten. Es sind verschiedene Hartpartikelbeschichtungen mit Partikeln aus den genannten Materialien und Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Solche Beschichtungen haben sich in anderen Anwendungen als langlebig und zuverlässig erwiesen.
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Die Beschichtung kann vorzugsweise in einem chemischen Vernickelungsverfahren erzeugt werden. Dabei werden die genannten Partikel in einer Matrix eingebunden, die Nickel enthält. In dem bewährten Verfahren der chemischen Vernickelung kann eine gleichmäßige, sehr genau reproduzierbare Schichtdicke erreicht werden. Dadurch kann wiederum eine hohe Maßgenauigkeit des Lagersitzes auf dem Wellengenerator erreicht werden.
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Vorteilhaft kann die reibungserhöhende Beschichtung zudem verschleißmindernde Eigenschaften aufweisen, wodurch die Gesamtlebensdauer des Wellengenerators und des Spannungswellengetriebes erhöht werden kann.
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Dazu kann beispielsweise eine Titannitrid-Beschichtung eingesetzt werden. Aufgrund seiner sehr hohen Härte ist mit einer Titannitrid-Beschichtung ein geringer Verschleiß gewährleistet. Titannitrid hat gegenüber Stahl einen verhältnismäßig hohen Reibwertkoeffizienten von über 0,5 und ist daher reibwerterhöhend gegenüber Stahl auf Stahl Oberflächenpaarungen. Auch die oben erwähnte, nachteilige Reibkorrosion kann deutlich reduziert werden, da Titannitrid eine geringe Reaktivität gegenüber eisenhaltigen Metallen aufweist.
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Zur Erhöhung der Funktionssicherheit des Spannungswellengetriebes kann der Wellengenerator darüber hinaus auch ein Sicherungselement aufweisen, welches axiale Bewegungen des radialflexiblen Wälzlagers oder zumindest dessen Lagerinnenrings gegenüber dem Lagersitz verhindert oder zumindest begrenzt. Ein solches Sicherungselement kann beispielsweise ein Sicherungsring sein, der in einer Nut auf dem Wellengenerator gehalten wird oder eine Sicherungsscheibe, die mittels einer Schraubverbindung oder einer Nietverbindung am Wellengenerator fixiert ist.
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Die vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Spannungswellengetriebe mit dem oben beschriebenen Wellengenerator.
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Für viele Anwendungen wird die vorgeschlagene Lösung zur sicheren Fixierung des radialflexiblen Wälzlagers auf dem Lagersitz mit der reibungserhöhenden Beschichtung ausreichen. Insbesondere für Anforderungen mit einem besonders hohen Anforderungsprofil kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Lagerinnenring des radialflexiblen Wälzlagers mit dem Lagersitz verklebt ist. Auf diese Weise kann eine besondere sichere Fixierung des Lagerinnenrings auf dem Lagersitz erreicht werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung und deren Vorteile anhand es in den anliegenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 einen Ausschnitt aus einem Spannungswellengetriebe mit einem erfindungsgemäßen Wellengenerator in einer Schnittdarstellung;
- 2 eine Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Wellengenerators mit einem radialflexiblen Wälzlager und
- 3 einen erfindungsgemäßen Wellengenerator in einer perspektivischen Ansicht.
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Das in der 1 und 2 ausschnittweise dargestellte Spannungswellengetriebe 2 umfasst ein elliptisches Antriebsbauteil, den Wellengenerator 1, ein elastisch verformbares, außenverzahntes Übertragungsbauteil, den Flexspline 7, und ein starres Getriebebauteil, der Circularspline 9. Der Circularspline 9 weist eine im Querschnitt kreisförmige Innenverzahnung 10 auf, die mit einer auf dem Flexspline 7 angeordneten Außenverzahnung 8 partiell im Eingriff steht. Der Flexspline 7 und der starre Circularspline 9 sind zueinander verdrehbar.
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Der Wellengenerator 1 weist einen im Querschnitt elliptischen Lagersitz 3 auf, der zumindest teilweise innerhalb des topfförmig ausgeführten Flexsplines 7 angeordnet ist. In anderen Ausführungen der Erfindung kann der Flexspline eine andere Form aufweisen, beispielsweise eine Hutform. Über seinen elliptischen Lagersitz 3 und über ein auf diesem Lagersitz 3 angeordnetes radialflexibles Wälzlager 4 verformt der Wellengenerator 1 zumindest das offene Ende des Flexsplines 7 in eine zumindest annähernd elliptische Form, sodass sich deren Außenverzahnung 8 an zwei Eingriffsbereichen mit der Innenverzahnung 10 des starren Circularsplines 9 im Eingriff befindet. Das radialflexible Wälzlager 4 ist also zwischen dem Wellengenerator 1 und dem Flexspline 7 angeordnet. Ein Lageraußenring 6 des radialflexiblen Wälzlagers 4 ist am Innenumfang des offenen Endes des Flexsplines 7 angeordnet. Am Außenumfang des offenen Endes des Flexsplines 7 befindet sich die Außenverzahnung 8.
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Ein Lagerinnenring 5 des radialflexiblen Wälzlagers 4 ist auf dem elliptischen Lagersitz 3 angeordnet. Der Lagerinnenring 5 und der Lageraußenring 6 des radialflexiblen Wälzlagers 4 weisen einen dünnen Querschnitt und dadurch eine verhältnismäßig hohe Flexibilität bzw. Elastizität auf. Das radialflexible Wälzlager 4 wird auf den elliptischen Lagersitz 3 aufgezogen, wobei das radialflexible Wälzlager 4 dadurch ebenfalls eine elliptische Form annimmt. In den beiden Bereichen der Hauptscheitel der Ellipse sind der elliptische Lagersitz und der Innendurchmesser des Lagerinnenrings 5 in Kontakt, im Bereich um die Nebenscheitel der Ellipse liegt der Lagerinnenring 5 nicht an dem Lagersitz 3 an. Dies ist in der 2 erkennbar. Durch die Verformung der Lagerringe 5 und 6 beim Aufziehen auf den elliptischen Lagersitz 3 werden die Lagerringe 5 und 6 elastisch verformt. Durch das Bestreben der Lagerringe 5 und 6 sich wieder in die ursprüngliche Kreisform zurück zu verformen, wird in den Flächenabschnitten, an denen sich der elliptische Lagersitz 3 und der Lagerinnenring 5 im Kontakt befinden, eine Kontaktpressung erzeugt, die das radialflexible Wälzlager 4 durch die vorhandene Reibung, sowohl axial als auch in Umfangsrichtung in Position hält.
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Durch Drehen, d.h. Rotieren des Wellengenerators 1 um eine zentrale Rotationsachse 19 verlagern sich der Eingriff zwischen der Außenverzahnung 8 und der Innenverzahnung 10 in Umfangsrichtung. Die Innenverzahnung 10 weist weniger Zähne auf als die Außenverzahnung 8. Beispielsweise weist die Innenverzahnung 10 zwei Zähne weniger auf als die Außenverzahnung 8. Aufgrund der unterschiedlichen Zähnezahlen zwischen der Außenverzahnung 8 und der Innenverzahnung 10 ergibt sich beim Antrieb durch den Wellengenerator 1 eine Relativbewegung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis zwischen dem Wellengenerator 1 und dem Flexspline 7. Die Außenverzahnung 8 stützt sich quasi beim Rotieren des Wellengenerators 1 an den beiden Eingriffsbereichen in der Innenverzahnung 10 ab und wird gegenüber der Innenverzahnung 10 bei jeder ganzen Umdrehung des Wellengenerators 1 um zwei Zähne bzw. die jeweilige Zähnezahldifferenz in der Rotationsrichtung des Wellengenerators 1 mit verdreht.
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Die in diesem Dokument verwendeten Richtungsangaben wie radial, axial und in Umfangsrichtung beziehen sich auf diese Rotationsachse 19, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel dient der Flexspline 7 als Abtrieb und ist mit einer Abtriebswelle 11 verdrehfest verbunden mittels einer Mitnahmeverzahnung 12. Zur axialen Fixierung zwischen dem Flexspline 7 und der Abtriebswelle 11 sind eine Fixierschraube 13 und eine Ringscheibe 14 vorgesehen. Die Abtriebswelle 11 ist koaxial zu dem Wellengenerator 1 angeordnet.
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Zur sicheren Fixierung des Lagerinnenrings 5 auf dem Lagersitz 3 weist der Lagersitz 3 eine reibungserhöhende Beschichtung 20 auf. Dadurch werden Bewegungen des Lagerinnenrings 5 gegenüber dem Lagersitz 3 sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung verhindert. Lediglich zur zusätzlichen Absicherung im Falle eines Versagens dieser Fixierung, beispielsweise aufgrund unvorhergesehener hoher Belastungen, ist in diesem Ausführungsbeispiel eine mechanische Axialsicherung vorgesehen. In die eine axiale Richtung ist das radialflexible Wälzlager 4 axial gesichert durch einen mechanischen Endanschlag 18, der einstückig mit dem Wellengenerator 1 hergestellt ist. In die gegenüberliegende axiale Richtung ist das radialflexible Wälzlager 4 axial gesichert durch eine Sicherungsscheibe 15, die stirnseitig mittels Nieten 16 und 17 an dem Wellengenerator 1 befestigt ist. Die Sicherungsscheibe 15 ragt in radialer Richtung zumindest über den Lagerinnenring 5 des radialflexiblen Wälzlagers 4 hinaus, sodass dieser auch in abtriebsseitiger Richtung axial gesichert ist.
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Der in 3 gezeigte Wellengenerator 1 weist einen im Querschnitt elliptischen Lagersitz 3 auf, der mit einer reibungserhöhenden Beschichtung 20 versehen ist. Die Beschichtung 20 ist als Kreuzschraffur dargestellt. Ein radialflexibles Wälzlager 4 kann auf den Wellengenerator 1 aufgezogen werden, bis es an dem mechanischen Endanschlag 18 ansteht. Die reibungserhöhende Beschichtung 20 gewährleistet einen sicheren Halt des radialflexiblen Wälzlagers 4 auf dem Lagersitz und erhöht damit die zuverlässige Funktion über eine lange Lebensdauer.
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Zwei Gewindebohrungen 21 und 22 sind stirnseitig an dem Wellengenerator 1 angeordnet. Mithilfe der Gewindebohrungen 21 und 22 kann die oben erwähnte Sicherungsscheibe 15 als zusätzliches Sicherungselement mittels Schraubbolzen an dem Wellengenerator 1 befestigt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wellengenerator
- 2
- Spannungswellengetriebe
- 3
- Lagersitz
- 4
- radialflexibles Wälzlager
- 5
- Lagerinnenring
- 6
- Lageraußenring
- 7
- Flexspline
- 8
- Außenverzahnung
- 9
- Circularspline
- 10
- Innenverzahnung
- 11
- Abtriebswelle
- 12
- Mitnahmeverzahnung
- 13
- Fixierschraube
- 14
- Ringscheibe
- 15
- Sicherungsscheibe
- 16
- Niet
- 17
- Niet
- 18
- Endanschlag
- 19
- Rotationsachse
- 20
- Beschichtung
- 21
- Gewindebohrung
- 22
- Gewindebohrung
