DE102020118797A1

DE102020118797A1 - Wave gears for a robot and robots with a strain wave gear

Info

Publication number: DE102020118797A1
Application number: DE102020118797.1A
Authority: DE
Inventors: Uwe Junginger; Oliver Boersch; Tomas Smetana
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2022-01-20
Also published as: CN116194689A; WO2022012712A1; JP2023533358A; KR20230022301A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe (1) für einen Roboter (12), umfassend ein von einem Wellgenerator (2) umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement (3) mit einer Außenverzahnung (3a) und ein starres Ringelement (4) mit einer Innenverzahnung (4a), wobei die Außenverzahnung (3a) des flexiblen Ringelements (3) zur Übertragung eines Drehmoments an mindestens einem Zahneingriffsbereich (5a, 5b) mit der Innenverzahnung (4a) des starren Ringelements (4) im Zahneingriff steht, wobei der Wellgenerator (2) ein unrund ausgebildetes Lagerelement (6) aufweist, umfassend Wälzkörper (7), einen Innenring (8) mit einer ersten Laufbahn (8a) für die Wälzkörper (7) und einen Außenring (9) mit einer zweiten Laufbahn (9a) für die Wälzkörper (7), wobei das Lagerelement (6) zumindest teilweise in das flexible Ringelement (3) axial hineinragt, und wobei der Innenring (8) drehfest mit einer Welle (16) verbunden ist, wobei das Lagerelement (6) als einreihiges Zylinderrollenlager ausgebildet ist, wobei die zweite Laufbahn (9a) für die Wälzkörper (7) an einer Innenumfangsfläche des Außenrings (9) radial in Richtung der Wälzkörper (7) zumindest teilweise konvex gewölbt ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Roboter (12), umfassend ein solches Wellgetriebe (1).The invention relates to a harmonic drive (1) for a robot (12), comprising a flexible annular element (3) with external teeth (3a) that can be deformed in the radial direction and a rigid annular element (4) with internal teeth (4a), the external toothing (3a) of the flexible annular element (3) being in toothed engagement with the internal toothing (4a) of the rigid annular element (4) in order to transmit a torque in at least one toothed engagement area (5a, 5b), the wave generator (2nd ) has an out-of-round bearing element (6), comprising rolling bodies (7), an inner ring (8) with a first raceway (8a) for the rolling bodies (7) and an outer ring (9) with a second raceway (9a) for the rolling bodies (7), the bearing element (6) at least partially protruding axially into the flexible ring element (3), and the inner ring (8) being non-rotatably connected to a shaft (16), the bearing element (6) being a single-row cylindrical roller bearing exc ebildet, wherein the second raceway (9a) for the rolling elements (7) on an inner peripheral surface of the outer ring (9) radially in the direction of the rolling elements (7) is at least partially convex. The invention also relates to a robot (12) comprising such a harmonic drive (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe für einen Roboter, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Das flexible Ringelement steht mit dem starren Ringelement zur Übertragung eines Drehmoments im Zahneingriff. Ferner betrifft die Erfindung auch einen Roboter mit einem Wellgetriebe.The invention relates to a harmonic drive for a robot, comprising a flexible annular element with external teeth, which can be deformed circumferentially in the radial direction by a wave generator, and a rigid annular element with internal teeth. The flexible ring element meshes with the rigid ring element to transmit torque. Furthermore, the invention also relates to a robot with a harmonic drive.

Aus der DE 10 2018 123 915 A1 geht ein Wellgetriebe, umfassend ein von einem Wellgenerator umlaufend lokal radial verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung. Die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements steht zur Übertragung eines Drehmoments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff. Der Wellgenerator umfasst ein unrund ausgebildetes Lagerelement, bestehend aus einem Innenring, einem Außenring sowie radial dazwischen angeordneten Wälzkörpern. Das Lagerelement ist als Pendelrollenlager ausgebildet und der Innenring ist drehfest mit einer Welle verbunden. Der Außenring und das flexible Ringelement sind zwei separate Bauteile, die drehfest miteinander verbunden sind.From the DE 10 2018 123 915 A1 relates to a harmonic drive, comprising a flexible annular element with external teeth, which can be deformed locally and radially by a wave generator, and a rigid annular element with internal teeth. The external toothing of the flexible ring element is in toothed engagement with the internal toothing of the rigid ring element in order to transmit a torque at least in one toothed meshing region. The wave generator includes a non-circular bearing element, consisting of an inner ring, an outer ring and rolling elements arranged radially between them. The bearing element is designed as a spherical roller bearing and the inner ring is non-rotatably connected to a shaft. The outer ring and the flexible ring element are two separate components that are connected to one another in a rotationally fixed manner.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein alternatives Wellgetriebe insbesondere für einen Roboter zu entwickeln. Ferner soll das Wellgetriebe eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.The object of the invention is to develop an alternative harmonic drive, in particular for a robot. Furthermore, the harmonic drive should have a long service life. The object is achieved by the subject matter of patent claim 1. Preferred embodiments can be found in the dependent claims, the description and the figures.

Ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe für einen Roboter umfasst ein von einem Wellgenerator umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement mit einer Außenverzahnung und ein starres Ringelement mit einer Innenverzahnung, wobei die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmoments an mindestens einem Zahneingriffsbereich mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff steht, wobei der Wellgenerator ein unrund ausgebildetes Lagerelement aufweist, umfassend Wälzkörper, einen Innenring mit einer ersten Laufbahn für die Wälzkörper und einen Außenring mit einer zweiten Laufbahn für die Wälzkörper, wobei das Lagerelement zumindest teilweise in das flexible Ringelement axial hineinragt, und wobei der Innenring drehfest mit einer Welle verbunden ist, wobei das Lagerelement als einreihiges Zylinderrollenlager ausgebildet ist, wobei die zweite Laufbahn für die Wälzkörper an einer Innenumfangsfläche des Außenrings radial in Richtung der Wälzkörper zumindest teilweise konvex gewölbt ist.A harmonic drive according to the invention for a robot comprises a flexible ring element that can be deformed circumferentially in the radial direction by a wave generator and has external teeth, and a rigid ring element with internal teeth, the external teeth of the flexible ring element for transmitting a torque on at least one toothed meshing area with the internal teeth of the rigid ring element is in toothed engagement, with the wave generator having an out-of-round bearing element, comprising rolling bodies, an inner ring with a first raceway for the rolling bodies and an outer ring with a second raceway for the rolling bodies, with the bearing element at least partially protruding axially into the flexible ring element, and wherein the inner ring is non-rotatably connected to a shaft, the bearing element being designed as a single-row cylindrical roller bearing, the second raceway for the rolling elements being on an inner peripheral surface of the outer ring radially in the direction of the W älzkörper is at least partially convex.

Der Wellgenerator, auch Wave Generator genannt, steht mit der Welle in Wirkverbindung, wobei die Welle vorzugsweise von einer elektrischen Maschine angetrieben ist, um den Wellgenerator in eine Rotationsbewegung zu versetzen. Beispielsweise weisen der Wellgenerator, insbesondere der Innenring des Lagerelements eine elliptische oder ovale Querschnittsform auf. Der Innenring und die Welle sind vorzugsweise zwei separate Bauteile, wobei der Innenring zur Realisierung einer drehfesten Verbindung beispielsweise auf der Welle aufgepresst ist. Alternativ ist denkbar, den Innenring und die Wellte einteilig auszubilden. Der Wellgenerator ist die Antriebseinheit des Wellgetriebes und wird, im Fall einer zweiteiligen Ausgestaltung der Welle und des Innenrings, vorzugsweise zusammen mit dem Lagerelement in das flexible bzw. elastisch verformbare Ringelement eingepresst. Beispielsweise ist die Welle als Hohlwelle ausgebildet. Alternativ kann die Welle auch als Vollwelle ausgebildet sein.The wave generator, also known as the wave generator, is operatively connected to the shaft, the shaft preferably being driven by an electric machine in order to set the wave generator into a rotational movement. For example, the wave generator, in particular the inner ring of the bearing element, has an elliptical or oval cross-sectional shape. The inner ring and the shaft are preferably two separate components, with the inner ring being pressed onto the shaft, for example, in order to implement a non-rotatable connection. Alternatively, it is conceivable to form the inner ring and the shaft in one piece. The wave generator is the drive unit of the harmonic drive and, in the case of a two-part configuration of the shaft and the inner ring, is preferably pressed into the flexible or elastically deformable ring element together with the bearing element. For example, the shaft is designed as a hollow shaft. Alternatively, the shaft can also be designed as a solid shaft.

Das flexible Ringelement wird auch Flexspline genannt und ist ein hochfestes sowie torsionssteifes Hülsenelement. Es ist derart flexibel ausgebildet, dass es den Wellgenerator mit dem Lagerelement zumindest teilweise axial aufnehmen kann, und dabei in Abhängigkeit der äußeren Form des Wellgenerators lokal verformbar ist. Insbesondere wird die äußere Form des Wellgenerators durch den Außenring gebildet. Die Wälzkörper des Lagerelements kommen an der Außenumfangsfläche des Innenrings zur Anlage, wobei die erste Laufbahn für die Wälzkörper an der Außenumfangsfläche des Innenrings ausgebildet ist. Ferner kommen die Wälzkörper des Lagerelements an der Innenumfangsfläche des Außenrings zur Anlage, wobei die zweite Laufbahn für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des Außenrings ausgebildet ist. Das flexible Ringelement weist zumindest eine offene axiale Seite zur Aufnahme des Wellgenerators mit dem Lagerelement auf, wobei die Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements im Betrieb des Wellgenerators zur drehfesten Aufnahme der Außenumfangsfläche des Außenrings des Lagerelements eingerichtet ist.The flexible ring element is also called Flexspline and is a high-strength and torsion-resistant sleeve element. It is designed so flexibly that it can at least partially axially accommodate the wave generator with the bearing element and is locally deformable depending on the outer shape of the wave generator. In particular, the outer shape of the wave generator is formed by the outer ring. The rolling elements of the bearing element come into contact with the outer peripheral surface of the inner ring, with the first raceway for the rolling elements being formed on the outer peripheral surface of the inner ring. Furthermore, the rolling elements of the bearing element come to rest on the inner peripheral surface of the outer ring, with the second raceway for the rolling elements being formed on the inner peripheral surface of the outer ring. The flexible ring element has at least one open axial side for accommodating the wave generator with the bearing element, the inner peripheral surface of the flexible ring element being designed to receive the outer peripheral surface of the outer ring of the bearing element in a rotationally fixed manner during operation of the wave generator.

Der Außenring kann sowohl drehfest als auch zunächst drehbar mit dem flexiblen Ringelement verbunden sein, wobei unter dem Begriff „zunächst drehbar“ zu verstehen ist, dass der Außenring während der Montage des Lagerelements in das flexible Ringelement keine direkte Verdrehsicherung zum flexiblen Ringelement aufweist. Jedoch kann sich der Außenring nach einer elastischen Verformung des flexiblen Ringelements in die elliptische oder ovale Form nicht mehr verdrehen und ist somit in Bezug auf das flexible Ringelement drehfest.The outer ring can be connected to the flexible ring element in a rotationally fixed or initially rotatable manner, with the term "initially rotatable" meaning that the outer ring has no direct anti-rotation device with respect to the flexible ring element during assembly of the bearing element in the flexible ring element. However, after an elastic deformation of the flexible ring element into the elliptical or oval shape, the outer ring can no longer twist and is therefore non-rotatable in relation to the flexible ring element.

Während des Betriebs wird der Wellgenerator rotiert, wodurch der Innenring des Lagerelements relativ zum flexiblen Ringelement und dem darin drehfest aufgenommenen Außenring des Lagerelements verdreht wird. Dabei verformt das flexible Ringelement analog zu der Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des Wellgenerators elastisch. Anders gesagt wird der Wellgenerator während des Betriebs des Wellgetriebes in eine Rotationsbewegung versetzt, die bewirkt, dass das flexible Ringelement eine umlaufende Verformung erfährt.During operation, the wave generator is rotated, as a result of which the inner ring of the bearing element is twisted relative to the flexible ring element and the outer ring of the bearing element, which is held in a rotationally fixed manner therein. The flexible ring element deforms elastically analogous to the direction of rotation and rotational speed of the wave generator. In other words, during the operation of the harmonic drive, the wave generator is set into a rotational movement, which causes the flexible ring element to undergo circumferential deformation.

Bevorzugt steht die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf die Rotationsachse des Wellgenerators, zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen zumindest teilweise mit der Innenverzahnung des starren Ringelements im Zahneingriff. Dadurch lässt sich eine gleichmäßige Krafteinleitung bzw. Kraftweiterleitung realisieren und das Wellgetriebe kann platzsparend ausgebildet werden.Preferably, the external toothing of the flexible ring element for the transmission of a torque, based on the axis of rotation of the wave generator, is at two symmetrically opposite toothed meshing areas at least partially with the internal toothing of the rigid ring element in toothed meshing. As a result, a uniform application of force or transmission of force can be implemented and the harmonic drive can be designed to save space.

Das starre Ringelement, auch Circular Spline genannt, ist ein torsionssteifer, starrer Ring, dessen Innenverzahnung mehr Zähne aufweist als die Außenverzahnung des flexiblen Ringelements. Insbesondere ist das starre Ringelement als Hohlrad ausgebildet. Die Drehung des Wellgenerators bewirkt einen permanenten, umlaufenden Zahneingriff von dem flexiblen Ringelement und dem starren Ringelement. Anders gesagt bewegen sich die gegenüberliegenden Zahneingriffsbereiche während der Rotation des Wellgenerators kontinuierlich um die Rotationsachse des Wellgenerators bzw. in Umfangsrichtung. Da das flexible Ringelement weniger Zähne aufweist als das starre Ringelement, bewirkt eine Drehung des Wellgenerators eine Relativbewegung des flexiblen Ringelements zum starren Ringelement. Dabei erfolgt ein Abrollen der Wälzkörper des einreihigen Zylinderrollenlagers zwischen dem Innenring und dem Außenring.The rigid ring element, also known as a circular spline, is a torsion-resistant, rigid ring whose inner teeth have more teeth than the outer teeth of the flexible ring element. In particular, the rigid ring element is designed as a ring gear. The rotation of the wave generator causes permanent, circumferential meshing of the flexible ring member and the rigid ring member. In other words, during the rotation of the wave generator, the opposing tooth meshing areas move continuously around the axis of rotation of the wave generator or in the circumferential direction. Since the flexible ring element has fewer teeth than the rigid ring element, rotation of the wave generator causes the flexible ring element to move relative to the rigid ring element. The rolling elements of the single-row cylindrical roller bearing roll off between the inner ring and the outer ring.

Die als Zylinderrollen ausgebildeten Wälzkörper können in Verbindung mit der zumindest teilweise konvex gewölbten zweiten Laufbahn am Außenring besonders vorteilhaft Kippbewegungen im Lagerelement und somit auch im Wellgenerator ausgleichen. Unter einer zumindest teilweise konvex gewölbten zweiten Laufbahn am Außenring ist zu verstehen, dass die Innenumfangsfläche des Außenrings, die als äußere Laufbahn für die Wälzkörper vorgesehen ist, radial nach innen zu den Wälzkörpern hin eine konvexe Wölbung aufweist. Insbesondere erstreckt sich diese konvexe Wölbung nicht nur teilweise, sondern vollständig entlang der zweiten Laufbahn für die Wälzkörper. Über den Radius bzw. den Grad der Wölbung der konvex geformten zweiten Laufbahn am Außenring lassen sich Hertzsche-Pressungen einstellen, insbesondere reduzieren, wodurch die Lebensdauer des Wellgetriebes verlängert wird. Ferner wird auch eine Montage des Wellgenerators gegenüber eines Wellgenerators mit einer Kugellagerung vereinfacht, insbesondere dann, wenn die Anzahl der Zylinderrollen erhöht und der Durchmesser der Zylinderrollen verringert wird.The rolling elements designed as cylindrical rollers can, in conjunction with the at least partially convex second raceway on the outer ring, particularly advantageously compensate for tilting movements in the bearing element and thus also in the wave generator. An at least partially convex second raceway on the outer ring means that the inner peripheral surface of the outer ring, which is provided as the outer raceway for the rolling elements, has a convex curvature radially inward toward the rolling elements. In particular, this convex curvature extends not only partially, but completely along the second track for the rolling elements. Hertzian pressures can be set, in particular reduced, via the radius or the degree of curvature of the convex-shaped second raceway on the outer ring, which extends the service life of the harmonic drive. Furthermore, assembly of the wave generator is simplified compared to a wave generator with a ball bearing, particularly when the number of cylindrical rollers is increased and the diameter of the cylindrical rollers is reduced.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Innenring des Lagerelements einen ersten Bord auf, wobei die Welle einen zweiten Bord aufweist. Unter einem ersten bzw. zweiten Bord ist eine im Wesentlichen radial nach außen ausgebildete Ausformung an dem Innenring bzw. an der Welle zu verstehen, die dazu eingerichtet ist, ein axiales, also stirnseitiges Anlaufen der Wälzkörper zu ermöglichen und dadurch die axiale Position der Wälzkörper zu begrenzen.According to a preferred embodiment of the invention, the inner ring of the bearing element has a first rim, with the shaft having a second rim. A first or second rim is to be understood as meaning an essentially radially outwardly formed formation on the inner ring or on the shaft, which is designed to allow the rolling elements to come into contact axially, i.e. on the face side, and thereby to adjust the axial position of the rolling elements limit.

Vorzugsweise weist der Außenring des Lagerelements einen dritten Bord und einen vierten Bord auf. Unter einem dritten bzw. vierten Bord ist eine im Wesentlichen radial nach innen ausgebildete Ausformung an dem Außenring zu verstehen, die dazu eingerichtet ist, ein axiales, also stirnseitiges Anlaufen der Wälzkörper zu ermöglichen und dadurch die axiale Position der Wälzkörper zu begrenzen.The outer ring of the bearing element preferably has a third rim and a fourth rim. A third or fourth rim is to be understood as meaning an essentially radially inwardly formed formation on the outer ring, which is set up to allow the rolling elements to come into contact axially, ie on the face side, and thereby to limit the axial position of the rolling elements.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das flexible Ringelement und der Außenring des Lagerelements einteilig ausgebildet. Mit anderen Worten sind das flexible Ringelement und der Außenring monolithisch, wobei die Außenverzahnung und die zweite Laufbahn für die Wälzkörper einteilig an einem Bauteil, nämlich dem flexiblen Ringelement ausgebildet sind. Der Außenring ist somit in das flexible Ringelement integriert und bündelt die Verzahnungsfunktionen für das starre Ringelement an der Außenumfangsfläche des flexiblen Ringelements mit den Laufbahnfunktionen für die Wälzkörper an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements. Weil ein separater Außenring nicht existent ist, entfällt eine Spielpassung zwischen dem Außenring und dem flexiblen Ringelement, wobei dies dazu führt, dass die Steifigkeit des Wellgetriebes konstant bleibt, wodurch die Präzision und die Effizienz des Wellgetriebes erhöht werden.According to a further preferred embodiment of the invention, the flexible ring element and the outer ring of the bearing element are designed in one piece. In other words, the flexible ring element and the outer ring are monolithic, with the external teeth and the second raceway for the rolling elements being formed in one piece on one component, namely the flexible ring element. The outer ring is thus integrated into the flexible ring element and bundles the toothing functions for the rigid ring element on the outer peripheral surface of the flexible ring element with the raceway functions for the rolling elements on the inner peripheral surface of the flexible ring element. Because a separate outer ring does not exist, there is no clearance fit between the outer ring and the flexible ring member, resulting in the strain wave gear's rigidity remaining constant, thereby increasing the precision and efficiency of the wave gear.

Bevorzugt weist der Innenring des Lagerelements einen ersten Bord und einen zweiten Bord auf. Unter einem ersten bzw. zweiten Bord ist eine im Wesentlichen radial nach außen ausgebildete Ausformung an dem Innenring zu verstehen, die dazu eingerichtet ist, ein axiales, also stirnseitiges Anlaufen der Wälzkörper zu ermöglichen und dadurch die axiale Position der Wälzkörper zu begrenzen.The inner ring of the bearing element preferably has a first rim and a second rim. A first or second rim is to be understood as meaning an essentially radially outwardly formed formation on the inner ring, which is set up to allow the rolling elements to come into contact axially, ie on the face side, and thereby to limit the axial position of the rolling elements.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wälzkörper in einem Käfig geführt. Vorzugsweise ist der Käfig aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet. Dadurch wird insbesondere der Verschleiß an den Wälzkörpern gesenkt.According to a preferred embodiment of the invention, the rolling elements are guided in a cage. The cage is preferably formed from a polymer material. This in particular reduces the wear on the rolling elements.

Vorzugsweise ist die zweite Laufbahn für die Wälzkörper in einem Bereich des Außenrings ausgebildet, der radial entgegengesetzt und im Wesentlichen mittig zu der Außenverzahnung an dem flexiblen Ringelement angeordnet ist. Mit anderen Worten wälzen die Wälzkörper in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung am flexiblen Ringelement. Dadurch wird ein besonders sauberer und effizienter Zahneingriff realisiert.The second raceway for the rolling bodies is preferably formed in a region of the outer ring which is arranged radially opposite and essentially centrally to the external toothing on the flexible ring element. In other words, the rolling bodies roll in the axial direction in the center of the external teeth on the flexible ring element. This results in a particularly clean and efficient meshing of teeth.

Die Erfindung betrifft auch einen Roboter, umfassend ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Wellgetriebe in einem Gelenk für einen Roboterarm angeordnet und wirkt zumindest mittelbar zwischen zwei Roboterarmsegmenten.The invention also relates to a robot comprising a harmonic drive according to the invention. In particular, the harmonic drive according to the invention is arranged in a joint for a robot arm and acts at least indirectly between two robot arm segments.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung zwei bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei zeigt

1a eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines hälftig dargestellten erfindungsgemäßen Wellgetriebes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
1 b eine vereinfachte schematische Teillängsschnittdarstellung des Wellgetriebes gemäß 1a,
2a eine vereinfachte schematische Schnittdarstellung eines hälftig dargestellten erfindungsgemäßen Wellgetriebes gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
2b eine vereinfachte schematische Teillängsschnittdarstellung des Wellgetriebes gemäß 2a, und
3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines nur teilweise dargestellten Roboters mit einem erfindungsgemäßen Wellgetriebe.

Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of two preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the figures. while showing

1a a simplified schematic sectional view of a harmonic drive according to the invention shown in half according to a first embodiment,
1 b a simplified schematic partial longitudinal sectional view of the strain wave gear according to 1a ,
2a a simplified schematic sectional view of a harmonic drive according to the invention shown in half according to a second embodiment,
2 B a simplified schematic partial longitudinal sectional view of the strain wave gear according to 2a , and
3 a simplified schematic representation of a robot shown only partially with a harmonic drive according to the invention.

Die 1a und 1b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß den 1a und 1b umfasst ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1, das vorliegend nur hälftig dargestellt ist, einen Wellgenerator 2 mit einem als einreihiges Zylinderrollenlager ausgebildetes Lagerelement 6. Das Lagerelement 6 weist einen Innenring 8, einen Außenring 9 sowie eine Vielzahl von räumlich dazwischen angeordneten und beabstandet zueinander geführten Wälzkörpern 7 auf. Die Wandstärke des Innenrings 8 ist übertrieben dargestellt. Die Wälzkörper 7 sind beabstandet zueinander in einem Käfig 10 geführt, wobei der Käfig 10 aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet ist. Der Innenring 8 weist an der Außenumfangsfläche eine erste Laufbahn 8a für die Wälzkörper 7 auf. Der Außenring 9 weist an der Innenumfangsfläche eine zweite Laufbahn 9a für die Wälzkörper 7 auf, wobei die zweite Laufbahn 9a radial in Richtung der Wälzkörper 7 konvex gewölbt ist, sodass die maximale Wandstärke des Außenrings 9 aufgrund der Wölbung im Wesentlichen axial mittig zu den Wälzkörpern 7 ist. Der Innenring 8 des Lagerelements 6 weist einen ersten Bord 8b auf, wobei die Welle 16 einen zweiten Bord 16a aufweist. Der erste Bord 8b dient als axiale Anlauffläche für die Wälzkörper 7, wobei der zweite Bord 16a zum einen als axiale Anlauffläche für die Wälzkörper 7 und zum anderen als axialer Anschlag für den Innenring 8 dient. Der Außenring 9 des Lagerelements 6 weist einen dritten Bord 9b und einen vierten Bord 9c auf, die jeweils als axiale Anlauffläche für die Wälzkörper 7 vorgesehen sind. Der Wellgenerator 2 umfasst ferner eine Welle 16, auf die der Innenring 8 zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung aufgeschrumpft ist, wobei der Wellgenerator 2 über die Welle 16 von einem - hier nicht dargestellten - Elektromotor in eine Rotationsbewegung versetzbar ist. Vorliegend ist die Welle 16 als Hohlwelle ausgebildet.the 1a and 1b show a first embodiment of the invention. According to the 1a and 1b comprises a harmonic drive 1 according to the invention, only half of which is shown here, a wave generator 2 with a bearing element 6 designed as a single-row cylindrical roller bearing. The bearing element 6 has an inner ring 8, an outer ring 9 and a large number of rolling elements 7 arranged spatially in between and guided at a distance from one another . The wall thickness of the inner ring 8 is exaggerated. The rolling bodies 7 are spaced apart in a cage 10, wherein the cage 10 is made of a polymer material. The inner ring 8 has a first raceway 8a for the rolling bodies 7 on the outer peripheral surface. The outer ring 9 has a second raceway 9a for the rolling elements 7 on the inner peripheral surface, with the second raceway 9a being convexly arched radially in the direction of the rolling elements 7, so that the maximum wall thickness of the outer ring 9 due to the arching is essentially axially central to the rolling elements 7 is. The inner ring 8 of the bearing element 6 has a first rim 8b, the shaft 16 having a second rim 16a. The first rim 8b serves as an axial contact surface for the rolling elements 7, the second rim 16a serving as an axial contact surface for the rolling elements 7 and as an axial stop for the inner ring 8. The outer ring 9 of the bearing element 6 has a third rim 9b and a fourth rim 9c, which are each provided as an axial contact surface for the rolling elements 7. The wave generator 2 also includes a shaft 16 onto which the inner ring 8 is shrunk to form a non-rotatable connection, the wave generator 2 being able to be set into rotary motion via the shaft 16 by an electric motor (not shown here). In the present case, the shaft 16 is designed as a hollow shaft.

Der Innenring 8 und der Außenring 9 des Lagerelements 6 weisen vorliegend eine elliptische Außengeometrie auf, wobei die Außenumfangsfläche des Außenrings 9 an einer Innenumfangsfläche eines flexiblen Ringelements 3 drehfest zur Anlage kommt. Vor der Montage des Lagerelements 6 weist der Außenring 9 eine im Wesentlichen runde Außengeometrie auf, die sich jedoch während der Montage in Abhängigkeit der Außengeometrie des Innenrings 8 elastisch in die elliptische Außengeometrie verformt. Der Wellgenerator 2 bzw. das Lagerelement 6 ist in das flexible Ringelement 3 eingepresst, sodass der Wellgenerator 2 mit dem Lagerelement 6 in das flexible Ringelement 3 hineinragt. Dabei nimmt das flexible Ringelement 3 die elliptische Form des Wellgenerators 2 an. Während des Betriebs des Wellgetriebes 1 wird der Wellgenerator 2 in eine Rotationsbewegung versetzt, wobei der Außenring 9 sowie das flexible Ringelement 3 lokal radial verformen. Anders gesagt bewirkt die Rotation des Wellgenerators 2 um eine Rotationsachse 11, dass das flexible Ringelement 3 und der Außenring 9 umlaufend verformt werden.In the present case, the inner ring 8 and the outer ring 9 of the bearing element 6 have an elliptical outer geometry, with the outer peripheral surface of the outer ring 9 coming to rest against an inner peripheral surface of a flexible ring element 3 in a rotationally fixed manner. Before the bearing element 6 is installed, the outer ring 9 has an essentially round outer geometry, which, however, deforms elastically into the elliptical outer geometry during installation, depending on the outer geometry of the inner ring 8 . The wave generator 2 or the bearing element 6 is pressed into the flexible ring element 3 so that the wave generator 2 with the bearing element 6 protrudes into the flexible ring element 3 . Here, the flexible ring element 3 assumes the elliptical shape of the wave generator 2 . During the operation of the strain wave gear 1, the wave generator 2 is set in a rotational movement, with the outer ring 9 and the flexible ring element 3 deforming locally and radially. In other words, the rotation of the wave generator 2 about an axis of rotation 11 causes the flexible ring element 3 and the outer ring 9 to be circumferentially deformed.

In 1 a ist ferner gezeigt, dass das flexible Ringelement 3 eine Außenverzahnung 3a aufweist, die zur Übertragung eines Drehmoments mit einer Innenverzahnung 4a eines starren Ringelements 4 des Wellgetriebes 1 in Zahneingriff steht. Da sich das flexible Ringelement 3 an die elliptische Form des Wellgenerators 1 anpasst, steht das flexible Ringelement 3 mit dessen Außenverzahnung 3a an zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen 5a, 5b mit der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4 in Zahneingriff.In 1 a is also shown that the flexible ring element 3 has an external toothing 3a, which is in toothed engagement with an internal toothing 4a of a rigid ring element 4 of the harmonic drive 1 for the transmission of a torque. Since the flexible ring element 3 adapts to the elliptical shape of the wave generator 1, the flexible ring element 3 is in contact with its external teeth 3a two symmetrically opposite toothed engagement areas 5a, 5b with the internal toothing 4a of the rigid ring element 4 in toothed engagement.

Gemäß 1b ragt das Lagerelement 6 vollständig in das flexible Ringelement 3 axial hinein. Ferner ist die zweite Laufbahn 9a für die Wälzkörper 7 in einem Bereich des Außenrings 9 ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung 3a am flexiblen Ringelement 3 angeordnet ist. In 1b wurde zur Vereinfachung auf die Darstellung des starren Ringelements 4 verzichtet. Ferner ist die Wandstärke des flexiblen Ringelements 3 übertrieben dargestellt.According to 1b the bearing element 6 protrudes completely into the flexible ring element 3 axially. Furthermore, the second raceway 9a for the rolling bodies 7 is formed in a region of the outer ring 9 which is arranged radially opposite and centrally in the axial direction to the outer teeth 3a on the flexible ring element 3 . In 1b For the sake of simplicity, the rigid ring element 4 has not been shown. Furthermore, the wall thickness of the flexible ring element 3 is exaggerated.

Die 2a und 2b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß den 2a und 2b umfasst ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1 einen Wellgenerator 2, der ein Lagerelement 6 mit einem Innenring 8 und mit einer Vielzahl von Wälzkörpern 7 aufweist. Die Wandstärke des Innenrings 8 ist übertrieben dargestellt. Die Wälzkörper 7 sind beabstandet zueinander in einem Käfig 10 geführt, wobei der Käfig 10 aus einem Polymerwerkstoff ausgebildet ist. Das Lagerelement 6 ist als einreihiges Zylinderrollenlager ausgebildet, sodass die Wälzkörper 7 als Zylinderrollen ausgebildet sind. Der Innenring 8 weist eine erste Laufbahn 8a für die Wälzkörper 7 auf. Die erste Laufbahn 8a ist umlaufend an der Außenumfangsfläche des Innenrings 8 ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 an der Außenumfangsfläche des Innenrings 8 ab. Ferner weist der Innenring 8 des Lagerelements 6 einen ersten Bord 8b und einen zweiten Bord 8c auf. Die beiden Borde 8b, 8c dienen als axiale Anlaufflächen für die Wälzkörper 7. Der Wellgenerator 2 umfasst ferner eine Welle 16, auf die der Innenring 8 zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung aufgeschrumpft ist, wobei der Wellgenerator 2 über die Welle 16 von einem - hier nicht dargestellten - Elektromotor in eine Rotationsbewegung versetzbar ist. Vorliegend ist die Welle 16 als Hohlwelle ausgebildet. Ferner weist das Wellgetriebe 1 ein von dem Wellgenerator 2 umlaufend in radialer Richtung verformbares, flexibles Ringelement 3 mit einer Außenverzahnung 3a und ein starres Ringelement 4 mit einer Innenverzahnung 4a auf. Die Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3 steht zur Übertragung eines Drehmoments an, bezogen auf eine Rotationsachse 11 des Wellgenerators 2, zwei symmetrisch gegenüberliegenden Zahneingriffsbereichen 5a, 5b mit der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4 in Zahneingriff. Das starre Ringelement 4 ist als Hohlrad ausgebildet.the 2a and 2 B show a second embodiment of the invention. According to the 2a and 2 B a harmonic drive 1 according to the invention comprises a wave generator 2 which has a bearing element 6 with an inner ring 8 and with a multiplicity of rolling elements 7 . The wall thickness of the inner ring 8 is exaggerated. The rolling bodies 7 are spaced apart in a cage 10, wherein the cage 10 is made of a polymer material. The bearing element 6 is designed as a single-row cylindrical roller bearing, so that the rolling bodies 7 are designed as cylindrical rollers. The inner ring 8 has a first raceway 8a for the rolling bodies 7 . The first raceway 8a is formed circumferentially on the outer peripheral surface of the inner ring 8 . Consequently, the rolling bodies 7 roll on the outer peripheral surface of the inner ring 8 . Furthermore, the inner ring 8 of the bearing element 6 has a first rim 8b and a second rim 8c. The two rims 8b, 8c serve as axial contact surfaces for the rolling elements 7. The wave generator 2 also includes a shaft 16 onto which the inner ring 8 is shrunk to form a non-rotatable connection, with the wave generator 2 being connected via the shaft 16 by a - not here illustrated - electric motor can be set into a rotational movement. In the present case, the shaft 16 is designed as a hollow shaft. Furthermore, the harmonic drive 1 has a flexible ring element 3 with external teeth 3a, which can be deformed circumferentially in the radial direction by the wave generator 2, and a rigid ring element 4 with internal teeth 4a. The external toothing 3a of the flexible ring element 3 is available for the transmission of a torque, based on a rotation axis 11 of the wave generator 2, two symmetrically opposite toothed meshing areas 5a, 5b with the internal toothing 4a of the rigid ring element 4 in toothed meshing. The rigid ring element 4 is designed as a ring gear.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind das flexible Ringelement 3 und der Außenring 9 des Lagerelements 6 einteilig ausgebildet. Der Außenring 9 ist vorliegend in das flexible Ringelement 3 integriert und dadurch als separates Bauteil nicht mehr existent. Das flexible Ringelement 3 bündelt die Verzahnungsfunktionen für das starre Ringelement 4 an der Außenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 mit den Laufbahnfunktionen für die Wälzkörper 7 an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3. An dem flexiblen Ringelement 3 ist eine zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 ausgebildet. Die zweite Laufbahn 9b, die durch die Integration des Außenrings 9 an dem flexiblen Ringelement 3 ausgebildet ist, ist radial in Richtung der Wälzkörper 7 konvex gewölbt, sodass die maximale Wandstärke des flexiblen Ringelements 3 aufgrund der Wölbung im Wesentlichen axial mittig zu den Wälzkörpern 7 ist.According to the second exemplary embodiment of the invention, the flexible ring element 3 and the outer ring 9 of the bearing element 6 are designed in one piece. In the present case, the outer ring 9 is integrated into the flexible ring element 3 and therefore no longer exists as a separate component. The flexible ring element 3 bundles the toothing functions for the rigid ring element 4 on the outer peripheral surface of the flexible ring element 3 with the raceway functions for the rolling elements 7 on the inner peripheral surface of the flexible ring element 3. A second raceway 3b for the rolling elements 7 is formed on the flexible ring element 3. The second raceway 9b, which is formed by the integration of the outer ring 9 on the flexible ring element 3, is convexly curved radially in the direction of the rolling elements 7, so that the maximum wall thickness of the flexible ring element 3 is essentially axially central to the rolling elements 7 due to the curvature .

Das flexible Ringelement 3 ist mit der Außenverzahnung 3a und der zweiten Laufbahn 3b einteilig ausgebildet. Mithin wälzen die Wälzkörper 7 unmittelbar an der Innenumfangsfläche des flexiblen Ringelements 3 ab. Die Wälzkörper 7 folgen der exzentrischen Form der ersten Laufbahn 3a und verformen dadurch das flexible Ringelement 3 mit der Außenverzahnung 3a. Aufgrund der geringfügig unterschiedlichen Anzahl von Zähnen zwischen der Außenverzahnung 3a des flexiblen Ringelements 3a und der Innenverzahnung 4a des starren Ringelements 4, entsteht eine hohe Übersetzung zwischen der Welle 16 und dem starren Ringelement 4.The flexible ring element 3 is formed in one piece with the external teeth 3a and the second raceway 3b. Consequently, the rolling elements 7 roll off directly on the inner peripheral surface of the flexible ring element 3 . The rolling elements 7 follow the eccentric shape of the first track 3a and thereby deform the flexible ring element 3 with the external teeth 3a. Due to the slightly different number of teeth between the external toothing 3a of the flexible ring element 3a and the internal toothing 4a of the rigid ring element 4, there is a high transmission ratio between the shaft 16 and the rigid ring element 4.

Gemäß 2b ragt das Lagerelement 6 vollständig in das flexible Ringelement 3 axial hinein. Ferner ist die zweite Laufbahn 3b für die Wälzkörper 7 in einem Bereich des flexiblen Ringelements 3 ausgebildet, der radial entgegengesetzt und in axialer Richtung mittig zu der Außenverzahnung 3a angeordnet ist. In 2b wurde zur Vereinfachung auf die Darstellung des starren Ringelements 4 verzichtet. Ferner ist die Wandstärke des flexiblen Ringelements 3 übertrieben dargestellt.According to 2 B the bearing element 6 protrudes completely into the flexible ring element 3 axially. Furthermore, the second raceway 3b for the rolling elements 7 is formed in a region of the flexible ring element 3 which is arranged radially oppositely and centrally in the axial direction to the external toothing 3a. In 2 B For the sake of simplicity, the rigid ring element 4 has not been shown. Furthermore, the wall thickness of the flexible ring element 3 is exaggerated.

3 zeigt einen Ausschnitt eines Roboters 12. Zwischen einem ersten Roboterarmsegment 12a und einem zweiten Roboterarmsegment 12b ist ein Gelenk 13 angeordnet, das die beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b gelenkig miteinander verbindet. Zur Veränderung der Position der beiden Roboterarmsegmente 12a, 12b zueinander weist der Roboter 12 eine Antriebseinheit 14 auf, umfassend einen Elektromotor 15 und ein erfindungsgemäßes Wellgetriebe 1. 3 12 shows a detail of a robot 12. A joint 13 is arranged between a first robot arm segment 12a and a second robot arm segment 12b, which joint connects the two robot arm segments 12a, 12b to one another in an articulated manner. In order to change the position of the two robot arm segments 12a, 12b relative to one another, the robot 12 has a drive unit 14, comprising an electric motor 15 and a harmonic drive 1 according to the invention.

BezugszeichenlisteReference List

11: Wellgetriebeharmonic drive
22: Wellgeneratorwave generator
33: flexibles Ringelementflexible ring element
3a3a: Außenverzahnung an dem flexiblen RingelementExternal toothing on the flexible ring element
3b3b: zweite Laufbahn an dem flexiblen Ringelementsecond track on the flexible ring element
44: starres Ringelementrigid ring element
4a4a: Innenverzahnung an dem starren RingelementInternal teeth on the rigid ring element
5a, 5b5a, 5b: Zahneingriffsbereichmeshing area
66: Lagerelementbearing element
77: Wälzkörperrolling elements
88th: Innenringinner ring
8a8a: erste Laufbahn an dem Innenringfirst raceway on the inner ring
8b8b: erster Bord an dem Innenringfirst flange on the inner ring
8c8c: zweiter Bord an dem Innenringsecond board on the inner ring
99: Außenringouter ring
9a9a: zweite Laufbahn an dem Außenringsecond raceway on the outer ring
9b9b: dritter Bord an dem Außenringthird rim on the outer ring
9c9c: vierter Bord an dem Außenringfourth rib on the outer ring
1010: KäfigCage
1111: Rotationsachseaxis of rotation
1212: Roboterrobot
12a12a: erster Roboterarmsegmentfirst robotic arm segment
12b12b: zweiter Roboterarmsegmentsecond robot arm segment
1313: Gelenkjoint
1414: Antriebseinheitdrive unit
1515: Elektromotorelectric motor
1616: Wellewave
16a16a: zweiter Bord an der Wellesecond board on the shaft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102018123915 A1 [0002]

Claims

Wave gearing (1) for a robot (12), comprising a flexible ring element (3) with external teeth (3a) that can be deformed circumferentially in the radial direction by a wave generator (2) and a rigid ring element (4) with internal teeth (4a), the external toothing (3a) of the flexible annular element (3) for the transmission of torque being in toothed engagement with the internal toothing (4a) of the rigid annular element (4) in at least one toothed engagement region (5a, 5b), the wave generator (2) having an out-of-round configuration Has bearing element (6), comprising rolling bodies (7), an inner ring (8) with a first raceway (8a) for the rolling bodies (7) and an outer ring (9) with a second raceway (9a) for the rolling bodies (7), wherein the bearing element (6) projects at least partially axially into the flexible ring element (3), and wherein the inner ring (8) is non-rotatably connected to a shaft (16), characterized in that the bearing element (6) is designed as a single-row cylindrical roller bearing Is ldet, wherein the second raceway (9a) for the rolling elements (7) on an inner peripheral surface of the outer ring (9) radially in the direction of the rolling elements (7) is at least partially convex.

Wave gear (1) after claim 1 , characterized in that the inner ring (8) of the bearing element (6) has a first rim (8b), wherein the shaft (16) has a second rim (16a).

Harmonic drive (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer ring (9) of the bearing element (6) has a third rim (9b) and a fourth rim (9c).

Wave gear (1) after claim 1 , characterized in that the flexible ring element (3) and the outer ring (9) of the bearing element (6) are formed in one piece.

Wave gear (1) after claim 4 , characterized in that the inner ring (8) of the bearing element (6) has a first rim (8b) and a second rim (8c).

Harmonic drive (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the rolling bodies (7) of the bearing element (6) are guided in a cage (10).

Wave gear (1) after claim 6 , characterized in that the cage (10) of the bearing element (6) is formed from a polymer material.

Harmonic drive (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the second raceway (9a) for the rolling bodies (7) is formed in a region of the outer ring (9) which is radially opposite and essentially central to the outer toothing (3a). is arranged on the flexible ring element (3).

Harmonic drive (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the external toothing (3a) of the flexible ring element (3) for the transmission of a torque to, in relation to the axis of rotation (11) of the wave generator (2), two symmetrically opposite toothed meshing areas (5a , 5b) is at least partially in toothed engagement with the internal toothing (4a) of the rigid ring element (4).

Robot (12) comprising a harmonic drive (1) according to one of the preceding claims.