DE102020103506A1

DE102020103506A1 - Schneckengetriebe, Aktuator und Verfahren zum Verstellen einer Federsteifigkeit

Info

Publication number: DE102020103506A1
Application number: DE102020103506.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Ginner; Jens Reinecke
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-02-14
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2020-08-20
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: DE102020103506B4

Abstract

Schneckengetriebe (104) mit einer Schnecke (106), einem Schneckenrad (108) und einer Federeinrichtung zur axial elastischen Lagerung der Schnecke (106), bei dem die Federeinrichtung wenigstens eine Feder (110, 112) mit einer verstellbaren Federsteifigkeit aufweist, Aktuator (100), insbesondere für ein Robotergelenk, der Aktuator (100) aufweisend einen Antriebsmotor (102) und ein derartiges Schneckengetriebe (104), und Verfahren zum Verstellen einer Federsteifigkeit wenigstens einer Feder (110, 112) einer Federeinrichtung eines derartigen Schneckengetriebes, wobei die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder (110, 112) verstellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneckengetriebe mit einer Schnecke, einem Schneckenrad und einer Federeinrichtung zur axial elastischen Lagerung der Schnecke. Außerdem betrifft die Erfindung einen Aktuator, insbesondere für ein Robotergelenk, der Aktuator aufweisend einen Antriebsmotor. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verstellen einer Federsteifigkeit wenigstens einer Feder einer Federeinrichtung eines Schneckengetriebes.
Aus dem Dokument ist EP 0 748 948 A1 ist eine Vorrichtung bekannt zur Beeinflussung des Federwegs einer Schraubenfeder einer Radaufhängung von Fahrzeugen, bei der zwischen Windungen der Schraubenfeder mindestens ein Distanzelement angeordnet ist, bei der das Distanzelement eine der Steigung der Windung der Schraubenfeder entsprechend verlaufende Aufnahmenut aufweist, in der die Federwindungen starr zueinander gehalten sind und bei der das Distanzelement über eine Festsetzeinrichtung in mehreren Stellungen an der Schraubenfeder befestigbar ist.
Aus dem Dokument ist EP 0 943 842 A1 ist ein Schneckengetriebe bekannt bei dem die Schneckenwelle in axialer Richtung elastisch nachgiebig gelagert ist. Die Schneckenwelle ist in axialer Richtung beidseitig über vorgespannte Federelemente, zum Beispiel Tellerfedern oder Schraubenfedern, abgestützt.
Aus dem Dokument ist DE 10 2008 000 506 A1 ist ein Schraubradgetriebe bekannt für eine elektrische Hilfskraftlenkung, wobei das Schraubradgetriebe ein mit einer Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors verbindbares Schraubritzel aufweist, das in einem Getriebegehäuse angeordnet ist und mit einem Schraubrad in Eingriff steht, wobei das Schraubritzel radial und axial gelagert ist, wobei das Schraubradgetriebe zur axialen Lagerung des Schraubritzels ein mit Kugeln versehenes Lager enthält, das in axialer Richtung mit mindestens einem elastischen Element gesichert ist. Das Schraubradgetriebe ist als Schneckengetriebe ausgebildet, wobei das Schraubrad als Schneckenrad ausgebildet ist und das Schraubritzel als Schnecke ausgebildet ist, die mit dem Schneckenrad in Eingriff steht. Das elastische Element ist als eine Feder ausgebildet. Eine von dem elastischen Element erzeugte axiale Rückstellkraft ist über ein Einstellmittel, insbesondere über eine Einstellschraube, veränderbar.
Das Dokument DE 196 31 228 A1 betrifft ein federnd ausgebildetes Axiallager für eine schrägverzahnte Getriebewelle, wobei ein Ende der Getriebewelle von einer vorgespannten, am Getriebegehäuse befestigten Biegefeder abgestützt ist und der Biegefeder gehäuseseitige Anschläge zugeordnet sind, mit denen die Biegefeder bei Überschreitung einer axialen Grenzbelastung in Eingriff tritt. Die Abstände und eine axiale Höhendifferenz der Anschläge können variiert werden, um auf die Charakteristik des Verlaufs der Federsteifigkeit Einfluss zu nehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Schneckengetriebe strukturellen und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Aktuator strukturellen und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Schneckengetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Aktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Schneckengetriebe kann ein Schraubgetriebe sein. Das Schneckengetriebe kann ein Gehäuse aufweisen. Die Schnecke kann an dem Gehäuse gelagert sein. Das Schneckenrad kann an dem Gehäuse gelagert sein. Das Schneckengetriebe kann zum Betätigen eines Robotergelenks dienen.
Die Schnecke kann eine Schneckenachse aufweisen. Die Schnecke kann als Zylinderschnecke ausgeführt sein. Die Schnecke kann drehbar gelagert sein. Die Schnecke kann antreibbar sein. Die Schnecke kann Schneckengänge aufweisen. Die Schneckengänge können um die Schneckenachse gewunden sein. Die Schneckengänge können eine konstante Steigung aufweisen. Die Schneckengänge können Zähne der Schnecke bilden.
Das Schneckenrad kann eine Schneckenradachse aufweisen. Das Schneckenrad kann mit den Schneckengängen korrespondierende Schneckenradzähne aufweisen. Das Schneckenrad kann einen Abtrieb bilden.
Die Schneckenachse und die Schneckenradachse können zueinander winklig, insbesondere rechtwinklig, angeordnet sein. Die Schneckenachse und die Schneckenradachse können voneinander beabstandet sein. Die Schneckengänge und die Schneckenradzähne können miteinander in Eingriff stehen. Zwischen der Schnecke und dem Schneckenrad können Linienkontakte bestehen.
Die Schnecke kann in Erstreckungsrichtung der Schneckenachse verlagerbar sein. Die Schnecke kann in beide Richtungen axial verlagerbar sein. Die Schnecke kann begrenzt verlagerbar sein.
Die Federeinrichtung kann eine einzige Feder aufweisen. Die Federeinrichtung kann eine erste Feder und eine zweite Feder aufweisen. Die Schnecke kann axial zwischen der ersten Feder und der zweiten Feder gelagert sein.
Die wenigstens eine Feder kann einstellbar sein. Die Federsteifigkeit kann auch als Federkonstante bezeichnet werden. Die Federsteifigkeit kann das Verhältnis einer auf eine Feder wirkenden Kraft zur dadurch bewirkten Auslenkung der Feder angeben. Die Federsteifigkeit kann als Kennlinie in einem Kraft-Weg/Auslenkung-Diagramm darstellbar sein. In dem Kraft-Weg/Auslenkung-Diagramm kann auf einer x-Achse ein Federweg bzw. eine Federauslenkung und auf einer y-Ache eine Federkraft aufgetragen sein. Die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder kann derart verstellbar sein, dass sich eine Steigung der gesamten Kennlinie ändert. Die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder kann während einem Betrieb des Schneckengetriebes verstellbar sein. Die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder kann aktiv verstellbar sein. Die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder kann kontinuierlich verstellbar sein. Die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder kann frei verstellbar sein. Die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder kann über einen gesamten Arbeitsbereich verstellbar sein. Die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder kann über einen gesamten sich zwischen einer minimalen Federsteifigkeit und einer maximalen Federsteifigkeit erstreckenden Bereich verstellbar sein. Die minimale Federsteifigkeit und die maximale Federsteifigkeit können vorgegeben sein.
Die Federsteifigkeit der ersten Feder und die Federsteifigkeit der zweiten Feder können gemeinsam oder voneinander gesondert verstellbar sein. Die wenigstens eine Feder kann vorgespannt sein. Die wenigstens eine Feder kann eine vorbestimmte Kennlinie aufweisen. Die wenigstens eine Feder kann eine zumindest abschnittsweise degressive, lineare oder progressive Kennlinie aufweisen. Durch Auswahl der wenigstens einen Feder kann eine vorbestimmte Federsteifigkeit eingestellt werden.
Die Federeinrichtung kann wenigstens einen Dämpfer aufweisen. Die wenigstens eine Feder und der wenigstens eine Dämpfer können zueinander parallel oder seriell angeordnet sein. Der wenigstens eine Dämpfer kann einstellbar sein. Der wenigstens eine Dämpfer kann eine verstellbare Dämpfungskonstante aufweisen. Die Federeinrichtung kann einen einzigen Dämpfer aufweisen. Die Federeinrichtung kann einen ersten Dämpfer und einen zweiten Dämpfer aufweisen. Der erste Dämpfer kann der ersten Feder zugeordnet sein. Der zweite Dämpfer kann der zweiten Feder zugeordnet sein. Der wenigstens eine Dämpfer kann eine vorbestimmte Kennlinie aufweisen. Der wenigstens eine Dämpfer kann eine zumindest abschnittsweise degressive, lineare oder progressive Kennlinie aufweisen. Durch Auswahl des wenigstens einen Dämpfers kann eine vorbestimmte Dämpfungskonstante eingestellt werden.
Das Schneckengetriebe kann ein Gehäuse aufweisen. Die Schnecke kann an dem Gehäuse gelagert sein. Das Schneckenrad kann an dem Gehäuse gelagert sein. Die Federeinrichtung kann zwischen der Schnecke und dem Gehäuse wirksam sein. Die wenigstens eine Feder kann sich einerseits schneckenseitig und andererseits gehäuseseitig abstützen.
Die Schnecke kann einen Schneckenwellenabschnitt und einen Schneckenzahnabschnitt aufweisen. Der Schneckenwellenabschnitt kann axial fest und drehbar sein. Der Schneckenwellenabschnitt kann axial fest und drehbar an dem Gehäuse gelagert sein. Der Schneckenwellenabschnitt kann mithilfe einer Lagereinrichtung gelagert sein. Die Lagereinrichtung kann wenigstens ein Radiallager aufweisen. Die Lagereinrichtung kann wenigstens ein Axiallager aufweisen. Der Schneckenwellenabschnitt und der Schneckenzahnabschnitt können miteinander drehfest verbunden sein. Der Schneckenzahnabschnitt kann entlang des Schneckenwellenabschnitts axial verlagerbar sein. Der Schneckenwellenabschnitt und der Schneckenzahnabschnitt können miteinander mithilfe einer Schiebeverzahnung oder einer Drehmomentkugelbuchse verbunden sein. Die wenigstens eine Feder kann zwischen dem Schneckenzahnabschnitt und der Lagereinrichtung wirksam sein. Die wenigstens eine Feder kann zwischen dem Schneckenzahnabschnitt und dem Gehäuse wirksam sein.
Die wenigstens eine Feder kann eine verstellbare wirksame Federlänge aufweisen. Die wirksame Federlänge kann auch als aktive Federlänge bezeichnet werden. Die wirksame Federlänge kann eine freie Federlänge sein. Die wenigstens eine Feder und/oder die Federsteifigkeit kann durch Verstellen der wirksamen Federlänge verstellbar sein.
Die Federeinrichtung kann wenigstens einen Abstützabschnitt für die wenigstens eine Feder aufweisen. Der wenigstens eine Abstützabschnitt kann zur schneckenseitigen Abstützung der wenigstens einen Feder dienen. Die wenigstens eine Feder kann an dem wenigstens einen Abstützabschnitt verstellbar aufgenommen sein. Die wenigstens eine Feder kann als Schraubenfeder mit Federwindungen ausgeführt sein. Der wenigstens eine Abstützabschnitt kann mit den Federwindungen korrespondierende Aufnahmewindungen aufweisen. Die Schnecke kann wenigstens einen Abstützabschnitt bilden. Die Schneckengänge können die Aufnahmewindungen bilden. Die Federeinrichtung kann einen ersten Abstützabschnitt für die erste Feder aufweisen. Der erste Abstützabschnitt kann zur schneckenseitigen Abstützung der ersten Feder dienen. Die erste Feder kann an dem ersten Abstützabschnitt verstellbar aufgenommen sein. Die erste Feder kann als Schraubenfeder mit Federwindungen ausgeführt sein. Der erste Abstützabschnitt kann mit den Federwindungen der ersten Feder korrespondierende Aufnahmewindungen aufweisen. Die Schnecke kann den ersten Abstützabschnitt bilden. Die Schneckengänge können die Aufnahmewindungen bilden. Die Federeinrichtung kann einen zweiten Abstützabschnitt für die zweite Feder aufweisen. Der zweite Abstützabschnitt kann zur schneckenseitigen Abstützung der zweite Feder dienen. Die zweite Feder kann an dem zweite Abstützabschnitt verstellbar aufgenommen sein. Die zweite Feder kann als Schraubenfeder mit Federwindungen ausgeführt sein. Der zweite Abstützabschnitt kann mit den Federwindungen der zweiten Feder korrespondierende Aufnahmewindungen aufweisen. Die Schnecke kann den zweiten Abstützabschnitt bilden. Die Schneckengänge können die Aufnahmewindungen bilden.
Das Schneckengetriebe kann eine Messeinrichtung zum Messen eines Drehmoments unter Berücksichtigung einer axialen Lage und/oder Lageänderung der Schnecke aufweisen. Die Messeinrichtung kann wenigstens einen Sensor zum Aufnehmen einer axialen Lage und/oder Lageänderung der wenigstens einen Feder aufweisen. Der wenigstens einen Sensor zum Aufnehmen einer axialen Lage und/oder Lageänderung kann ein Potentiometer oder ein induktiver, kapazitiver, optischer oder magnetischer Wegsensor sein.
Das Drehmoment kann an der Schnecke und/oder an dem Schneckenrad bestimmbar sein. Dafür kann zunächst eine axiale Lage und/oder Lageänderung der Schnecke und nachfolgen kann darauf basierend das Drehmoment bestimmbar sein. Beim Bestimmen des Drehmoments kann eine Kraft, die zum Verlagern der Schnecke erforderlich ist, zusammen mit dem wirksamen Hebelarm, entsprechend einem Wälzkreisradius des Schneckenrads, berücksichtigbar sein. Eine Auslenkung und/oder Formänderung der wenigstens einen Feder kann erfasst werden, um eine axiale Lage und/oder Lageänderung der Schnecke zu bestimmen. Beim Bestimmen des Drehmoments kann eine Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder berücksichtigt werden. Die wenigstens eine Feder kann nicht lediglich einem Überlastschutz oder Spielausgleich dienen, sondern dazu, eine messbare axiale Verlagerung der Schnecke zu ermöglichen, um ein Drehmoment an dem Schneckengetriebe zu bestimmen.
Der Antriebsmotor kann ein Elektromotor sein. Der Antriebsmotor kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. Der Antriebsmotor und das Schneckengetriebe können strukturell zusammengefasst sein. Der Aktuator kann strukturell und/oder funktionell in ein Robotergelenk integriert sein.
Die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder kann mithilfe des Antriebsmotors verstellbar sein. Eine Drehbarkeit der wenigstens einen Feder kann sperrbar sein. Eine Drehbarkeit der wenigstens einen Feder bezüglich des Gehäuses kann sperrbar sein. Der Aktuator oder die Federeinrichtung kann wenigstens eine Sperreinrichtung zum Sperren und/oder Freigeben einer Drehbarkeit der wenigstens einen Feder aufweisen. Die wenigstens eine Sperreinrichtung kann eine Magnetbremse aufweisen. Die wenigstens eine Sperreinrichtung kann zwischen der wenigstens einen Feder uns dem Gehäuse wirksam sein. Die Federeinrichtung kann eine erste Sperreinrichtung zum Sperren einer Drehbarkeit der ersten Feder aufweisen. Die erste Sperreinrichtung kann zwischen der ersten Feder uns dem Gehäuse wirksam sein. Die Federeinrichtung kann eine zweite Sperreinrichtung zum Sperren einer Drehbarkeit der zweiten Feder aufweisen. Die zweite Sperreinrichtung kann zwischen der zweiten Feder und dem Gehäuse wirksam sein.
Zum Verstellen der Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder kann zunächst mithilfe der wenigstens einen Sperreinrichtung eine Drehbarkeit der wenigstens einen Feder bezüglich des Gehäuses gesperrt werden. Nachfolgend kann die Schnecke mithilfe des Antriebsmotors gedreht werden, um die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder einzustellen. Nachfolgend kann mithilfe der wenigstens einen Sperreinrichtung eine Drehbarkeit der wenigstens einen Feder bezüglich des Gehäuses wieder freigegeben werden.
Der Aktuator oder die Federeinrichtung kann zum Verstellen der Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder wenigstens einen Stellmotor aufweisen. Eine Sperreinrichtung kann dann entfallen. Der wenigstens eine Stellmotor kann eine Elektromotor sein. Der Aktuator oder die Federeinrichtung kann zum Verstellen der Federsteifigkeit der ersten Feder einen ersten Stellmotor aufweisen. Der Aktuator oder die Federeinrichtung kann zum Verstellen der Federsteifigkeit der zweiten Feder einen zweiten Stellmotor aufweisen.
Die Federsteifigkeit kann verstellt werden, um eine Eigenfrequenz des Aktuators zu modulieren. Die Federsteifigkeit kann elektrisch kontrolliert verstellt werden. Ein elektrisches Kontrollieren kann eine steuerungstechnisches und/oder regelungstechnisches Kontrollieren sein. Die Federsteifigkeit einer ersten Feder und die Federsteifigkeit einer zweiten Feder können gemeinsam oder voneinander gesondert verstellt werden.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein Aktor mit verstellbarer, mechanischer Impedanz basierend auf einem Schneckengetriebe.
Eine Schneckenwelle eines Schneckengetriebes bzw. Schraubradgetriebes kann axial elastisch gelagert werden. Elastische Elemente können eine verstellbare lineare oder nichtlineare Steifigkeit bzw. Dämpfung aufweisen. Eine Änderung einer Impedanz kann beispielsweise durch Variation einer aktiven Federlänge erfolgen. Ein Aktuator mit integrierter variabler mechanischer Impedanz kann bereitgestellt werden. Zugrundeliegende Eigenmoden des Aktuators können damit auf ein Gesamtsystem angepasst werden, beispielsweise um einen energieeffizienzoptimierten Betrieb zu ermöglichen. Zudem können die elastischen Elemente platzsparend im Aktuator selbst verbaut werden.
Bei Schraubenfedern als elastische Elemente kann eine Änderung der aktiven Federlänge durch Einschrauben der Schnecke in Windungen der Schraubenfedern erfolgen. Eine Steifigkeit kann dann über eine Anzahl jeweils aktiver Windungen bestimmt werden. Die Änderung der aktiven Federlänge und damit der Impedanz kann durch einen Antriebsmotor selbst erfolgen. Dazu kann die Schraubenfeder zum Verstellen drehfest mit einem Gehäuse verbunden werden, sodass sich die Schnecke in die Windungen eindreht bzw. ausdreht. In einem regulären Betrieb können die Federn wieder drehbar gegenüber dem Gehäuse gelagert werden und sich mit der Schneckenwelle mitdrehen. Hierfür ist eine entsprechend hohe Trägheit am Abtrieb vorteilhaft. Das Einschrauben kann aber auch durch ein separates Stellglied erfolgen, welches die Federn aktiv dreht. Eine hohe Trägheit am Abtrieb ist dann nicht erforderlich.
Durch eine Messung einer Verschiebung der Schnecke und einer Auslenkung der Feder kann ein am Abtrieb (=Schneckenrad) anliegendes Drehmoment bestimmt werden. Ein Aktuator mit integrierter Abtriebsdrehmomentmessung kann bereitgestellt werden. Die elastische Lagerung der Schneckenwelle kann nicht nur einem Einprägen einer gewünschten mechanischen Impedanz dienen, sondern auch einer direkten Messung des Abtriebsdrehmomentes. Der Aktuator kann damit auch drehmomentgeregelt betrieben werden und kommt ohne einen externen Drehmomentsensor aus, welcher anfällig für Stoßbelastungen wäre.
Mit der Erfindung wird eine Robustheit erhöht und eine Modulation einer Eigenfrequenz ermöglicht. Ein Bauraumbedarf und/oder ein Energiebedarf wird reduziert. Ein Bestimmen eines Drehmoments, und damit auch ein Kontrollieren des Drehmoments, kann mit erhöhter Robustheit, erhöhter Genauigkeit und/oder reduziertem Aufwand ermöglicht werden. Eine überlastungsbedingte Schädigung eines Sensors kann vermieden werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 einen Aktuator mit einem Antriebsmotor und einem Schneckengetriebe mit einer axial elastisch gelagerten Schnecke, einem Schneckenrad und einer Federeinrichtung mit verstellbaren Federn in symmetrischer Einstellung,
2 einen Aktuator mit einem Antriebsmotor und einem Schneckengetriebe mit einer axial elastisch gelagerten Schnecke, einem Schneckenrad und einer Federeinrichtung mit verstellbaren Federn in asymmetrischer Einstellung,
3 einen Aktuator mit einem Antriebsmotor und einem Schneckengetriebe mit einer axial elastisch gelagerten Schnecke, einem Schneckenrad, einer Federeinrichtung mit verstellbaren Federn und einer Messeinrichtung zum Messen eines Drehmoments und
4 ein Kraft-Weg/Auslenkung-Diagramm zu verstellbaren Federn einer Federeinrichtung.

1 zeigt einen Aktuator 100 mit einem Antriebsmotor 102 und einem Schneckengetriebe 104. Das Schneckengetriebe 104 weist eine Schnecke 106, ein Schneckenrad 108 und eine Federeinrichtung auf. Die Federeinrichtung weist eine erste Feder 110 und eine zweite Feder 112 auf. Die Federn 110, 112 weisen jeweils eine verstellbare Federsteifigkeit auf.
Die Schnecke 106 und das Schneckenrad 108 sind miteinander verzahnt, wobei eine Übersetzung ins Langsame gebildet ist. Die Schnecke 106 ist mithilfe des Antriebsmotor 102 antreibbar, das Schneckenrad 108 bildet einen Abtrieb.
Die Schnecke 106 weist einen Schneckenwellenabschnitt 114 und einen Schneckenzahnabschnitt 116 auf. Der Schneckenwellenabschnitt 114 ist mithilfe einer Lagereinrichtung axial fest und drehbar in einem Gehäuse 118 gelagert. Die Lagereinrichtung weist ein erstes Radiallager 120, ein erstes Axiallager 122, ein zweites Radiallager 124 und ein zweites Axiallager 126 auf. Der Schneckenwellenabschnitt 114 und der Schneckenzahnabschnitt 116 sind miteinander drehfest verbunden. Der Schneckenzahnabschnitt 116 ist entlang des Schneckenwellenabschnitts 114 axial begrenzt verlagerbar.
Die erste Feder 110 ist zwischen dem Schneckenzahnabschnitt 116 und dem ersten Axiallager 122 wirksam. Die zweite Feder 112 ist zwischen dem Schneckenzahnabschnitt 116 und dem zweiten Axiallager 126 wirksam. Der Schneckenzahnabschnitt 116 ist zwischen der ersten Feder 110 und der zweiten Feder 112 axial vorgespannt gehalten.
Die erste Feder 110 ist als Schraubendruckfeder mit Federwindungen ausgeführt. Die zweite Feder 110 ist als Schraubendruckfeder mit Federwindungen ausgeführt. Der Schneckenzahnabschnitt 116 weist Schneckengänge, wie 128, auf. Die Schneckengänge 128 bilden Aufnahmewindungen. Der Schneckenzahnabschnitt 116 weist ein den ersten Lagern 120, 122 zugeordnetes erstes Ende und ein den zweiten Lagern 124, 126 zugeordnetes zweites Ende auf. Die erste Feder 110 ist mit ihren Federwindungen von dem ersten Ende her in die Aufnahmewindungen des Schneckenzahnabschnitts 116 eingeschraubt. Die zweite Feder 112 ist mit ihren Federwindungen von dem zweiten Ende her in die Aufnahmewindungen des Schneckenzahnabschnitts 116 eingeschraubt. Durch Einschrauben der Federn 110, 112 kann jeweils eine Anzahl freier und damit federwirksamer Federwindungen reduziert werden. Durch Ausschrauben der Federn 110, 112 kann jeweils eine Anzahl freier und damit federwirksamer Federwindungen erhöht werden.
Zwischen der ersten Feder 110 und dem Gehäuse 118 ist eine erste Sperreinrichtung 130 wirksam. Mithilfe der ersten Sperreinrichtung 130 kann eine Drehbarkeit der ersten Feder 110 bezüglich des Gehäuses 118 gesperrt und/oder freigegeben werden. Wenn die Drehbarkeit der ersten Feder 110 bezüglich des Gehäuses 118 gesperrt ist, kann die erste Feder 110 durch Drehen des Schneckenzahnabschnitts 116 eingeschraubt oder ausgeschraubt werden. Wenn die Drehbarkeit der ersten Feder 110 bezüglich des Gehäuses 118 freigegeben ist, dreht die erste Feder 110 mit dem Schneckenzahnabschnitt 116. Zwischen der zweiten Feder 112 und dem Gehäuse 118 ist eine zweite Sperreinrichtung 132 wirksam. Mithilfe der zweiten Sperreinrichtung 132 kann eine Drehbarkeit der zweiten Feder 112 bezüglich des Gehäuses 118 gesperrt und/oder freigegeben werden. Wenn die Drehbarkeit der zweiten Feder 112 bezüglich des Gehäuses 118 gesperrt ist, kann die zweite Feder 112 durch Drehen des Schneckenzahnabschnitts 116 eingeschraubt oder ausgeschraubt werden. Wenn die Drehbarkeit der zweiten Feder 112 bezüglich des Gehäuses 118 freigegeben ist, dreht die zweite Feder 112 mit dem Schneckenzahnabschnitt 116. Damit sind die Federsteifigkeiten der Federn 110, 112 mithilfe des Antriebsmotors 102 verstellbar.
Gemäß 1 sind erste Feder 110 und die zweite Feder 112 jeweils gleich weit eingeschraubt, sodass sich eine symmetrische Einstellung mit antriebsseitig und abtriebsseitig gleichen Federsteifigkeiten ergibt. 2 zeigt den Aktuator 100 mit Antriebsmotor 102, Schneckengetriebe 104 und Federeinrichtung mit verstellbaren Federn 110, 112 in asymmetrischer Einstellung, in der der Schneckenzahnabschnitt 116 in Pfeilrichtung 134 aus der ersten Feder 110 weiter ausgeschraubt und in die zweite Feder 112 weiter eingeschraubt ist, sodass sich antriebsseitig eine geringere und abtriebsseitig eine höhere Federsteifigkeit ergibt.
3 zeigt einen Aktuator 200 mit einem Antriebsmotor 202, einem Schneckengetriebe 204 und Messeinrichtungen 206, 208. Das Schneckengetriebe 204 weist eine als Zylinderschnecke ausgeführte Schnecke 210 mit einer Schneckenachse 212 und ein Schneckenrad 214 mit einer Schneckenradachse 216 auf. Die Schneckenachse 212 und die Schneckenradachse 216 sind zueinander rechtwinklig angeordnet und weisen voneinander einen Abstand 218 auf.
Die Schnecke 210 weist einen Schneckenwellenabschnitt 220 und einen Schneckenzahnabschnitt 222 auf. Der Schneckenwellenabschnitt 220 ist mithilfe Lagereinrichtung gelagert. Der Schneckenzahnabschnitt 222 ist zwischen einer als Schraubendruckfeder ausgeführten ersten Feder 224 und einer als Schraubendruckfeder ausgeführten zweiten Feder 226 gehalten. Zwischen der ersten Feder 224 und einem Gehäuse 228 ist eine erste Sperreinrichtung 230 wirksam. Zwischen der zweiten Feder 226 und dem Gehäuse 228 ist eine zweite Sperreinrichtung 232 wirksam.
Mithilfe der Messeinrichtung 206 sind/ist eine Länge der ersten Feder 224 und/oder eine Länge der zweiten Feder 226 bestimmbar. Mithilfe der Messeinrichtung 208 sind/ist ein Abstand zwischen dem Schneckenzahnabschnitt 222 und der ersten Sperreinrichtung 230 und/oder ein Abstand zwischen dem Schneckenzahnabschnitt 222 und der zweiten Sperreinrichtung 232 bestimmbar.
Zum Bestimmen eines Drehmoments 234 des Schneckenrads 214 werden/wird zunächst mithilfe der Messeinrichtung 206 eine Länge oder Längenänderung der ersten Feder 224 und/oder eine Länge oder Längenänderung der zweiten Feder 226 und/oder mithilfe der Messeinrichtung 208 ein Abstand oder eine Anstandsänderung zwischen dem Schneckenzahnabschnitt 222 und der ersten Sperreinrichtung 230 und/oder ein Abstand oder eine Anstandsänderung zwischen dem Schneckenzahnabschnitt 222 und der zweiten Sperreinrichtung 232 bestimmt. Unter Berücksichtigung von Länge, Längenänderung, Abstand und/oder Anstandsänderung wird nachfolgend eine Lage und/oder Lageänderung des Schneckenzahnabschnitts 222 bestimmt. Unter Berücksichtigung von Lage und/oder Lageänderung des Schneckenzahnabschnitts 222 wird nachfolgend das Drehmoment 234 bestimmt.
Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und 2 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
4 zeigt ein Kraft-Weg/Auslenkung-Diagramm 300 zu einer verstellbaren Feder, wie Feder 110, 112 gemäß 1 und 2 und Feder 224, 226 gemäß 3, einer Federeinrichtung. In dem Diagramm 300 ist auf einer x-Achse ein Federweg bzw. eine Federauslenkung und auf einer y-Ache eine Federkraft aufgetragen. Ein Verstellen der Steifigkeit der verstellbaren Feder bewirkt eine geänderte Kennlinie in dem Diagramm 300. Beispielsweise bewirkt ein Verkürzen einer wirksamen Länge der Feder eine steilere Kennlinie in dem Diagramm 300, wie symbolisiert durch den Pfeil 302. In dem Diagramm 300 sind beispielhaft Kennlinien 304, 306, 308, 310 bei unterschiedlichen Verstellpositionen gezeigt. Die Kennlinien 304, 306, 308, 310 verlaufen in dem Diagramm 300 jeweils ausgehend von einem Koordinatenursprung linear mit unterschiedlichen Steigungen.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Aktuator
102: Antriebsmotor
104: Schneckengetriebe
106: Schnecke
108: Schneckenrad
110: erste Feder
112: zweite Feder
114: Schneckenwellenabschnitt
116: Schneckenzahnabschnitt
118: Gehäuse
120: erstes Radiallager
122: erstes Axiallager
124: zweites Radiallager
126: zweites Axiallager
128: Schneckengang
130: erste Sperreinrichtung
132: zweite Sperreinrichtung
134: Pfeilrichtung
200: Aktuator
202: Antriebsmotor
204: Schneckengetriebe
206: Messeinrichtung
208: Messeinrichtung
210: Schnecke
212: Schneckenachse
214: Schneckenrad
216: Schneckenradachse
218: Abstand
220: Schneckenwellenabschnitt
222: Schneckenzahnabschnitt
224: erste Feder
226: zweite Feder
228: Gehäuse
230: erste Sperreinrichtung
232: zweite Sperreinrichtung
234: Drehmoment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0748948 A1 [0002]
EP 0943842 A1 [0003]
DE 102008000506 A1 [0004]
DE 19631228 A1 [0005]

Claims

Schneckengetriebe (104, 204) mit einer Schnecke (106, 210), einem Schneckenrad (108, 214) und einer Federeinrichtung zur axial elastischen Lagerung der Schnecke (106, 210), dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung wenigstens eine Feder (110, 112, 224, 226) mit einer verstellbaren Federsteifigkeit aufweist.
Schneckengetriebe (104, 204) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Feder (110, 112, 224, 226) eine verstellbare wirksame Federlänge aufweist.
Schneckengetriebe (104, 204) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung wenigstens einen Abstützabschnitt für die wenigstens eine Feder (110, 112, 224, 226) aufweist und die wenigstens eine Feder (110, 112, 224, 226) an dem wenigstens einen Abstützabschnitt verstellbar aufgenommen ist.
Schneckengetriebe (104, 204) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Feder (110, 112, 224, 226) als Schraubenfeder mit Federwindungen ausgeführt ist und der wenigstens eine Abstützabschnitt mit den Federwindungen korrespondierende Aufnahmewindungen aufweist.
Schneckengetriebe (104, 204) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (106, 210) wenigstens einen Abstützabschnitt bildet und Schneckengänge (128) aufweist und die Schneckengänge (128) die Aufnahmewindungen bilden.
Schneckengetriebe (104, 204) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneckengetriebe (104, 204) wenigstens eine Messeinrichtung (206, 208) zum Messen eines Drehmoments unter Berücksichtigung einer axialen Lage und/oder Lageänderung der Schnecke (106, 210) aufweist.
Aktuator (100, 200), insbesondere für ein Robotergelenk, der Aktuator (100, 200) aufweisend einen Antriebsmotor (102, 202), dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (100, 200) ein Schneckengetriebe (104, 204) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
Aktuator (100, 200) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder (110, 112, 224, 226) mithilfe des Antriebsmotors (102, 202) verstellbar ist.
Aktuator (100, 200) nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehbarkeit der wenigstens einen Feder (110, 112, 224, 226) sperrbar ist.
Aktuator nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator zum Verstellen der Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder wenigstens einen Stellmotor aufweist.
Verfahren zum Verstellen einer Federsteifigkeit wenigstens einer Feder (110, 112, 224, 226) einer Federeinrichtung eines Schneckengetriebes (104, 204) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit der wenigstens einen Feder (110, 112, 224, 226) verstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit verstellt wird, um eine Eigenfrequenz eines Aktuators (100, 200) nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 10 zu modulieren.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit einer ersten Feder (110, 224) und die Federsteifigkeit einer zweiten Feder (110, 224) gemeinsam oder voneinander gesondert verstellt werden.