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Die Erfindung betrifft eine Getriebeanordnung, welche mindestens einen Spindeltrieb umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Getriebeanordnung.
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Die
EP 0 251 884 B1 offenbart eine Getriebeanordnung, welche als Steuereinrichtung zur gleichzeitigen Längsbewegung von mehreren Elementen mit verschiedenen Geschwindigkeiten ausgebildet ist. Die sogenannte Steuereinrichtung umfasst eine Schraube mit mindestens zwei Gewinden unterschiedlicher Steigung, auf der sich mehrere Muttern entsprechender Steigung bewegen. Die
EP 0 251 884 B1 sieht vor, dass die Gewindegänge der beiden Schraubengewinde ein flaches Gewindeprofil aufweisen und miteinander verflochten sind, sodass die Gewindegänge eines der Gewinde die Gewindegänge des anderen Gewindes in gleicher Richtung, aber mit unterschiedlicher Steigung kreuzen. Die Steuereinrichtung nach der
EP 0 251 884 B1 soll insbesondere für die Betätigung von teleskopischen Türblättern, beispielsweise bei Fahrstühlen, geeignet sein.
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Die
DE 10 2017 128 520 B4 offenbart einen Aktuator, in welchem mehrere Getriebetypen miteinander zusammenwirken. Hierbei ist einer Kombination aus einem Planetenwälzgewindetrieb und einem Trapezgewindetrieb ein als Untersetzungsgetriebe ausgelegter Riementrieb vorgeschaltet. Der Aktuator nach der
DE 10 2017 128 520 B4 ist elektrisch angetrieben. Als Abtriebselement des Aktuators ist ein verschiebbares Spindelelement vorgesehen.
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DE 20 2007 013 328 U1 beschreibt eine Feststellbremse mit einer mit Spindeltrieb versehenen Kraftumsetzungsvorrichtung. Hierbei werden durch Rotation einer Spindel gleichzeitig zwei Spindelmuttern verschoben, die jeweils mit einem Bremsseil verbunden sind.
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Spindeltriebe werden in der Regel zur Umsetzung einer Rotation in eine lineare Bewegung verwendet. Hierbei kann entweder die Gewindespindel oder die Spindelmutter als antreibendes Element des Spindeltriebs vorgesehen sein, wobei das jeweils andere Element das Abtriebselement des Spindeltriebs darstellt. Sofern ein solcher Spindeltrieb nicht selbsthemmend ausgelegt ist, kann er auch umgekehrt, das heißt zur Umsetzung einer linearen Bewegung in eine Rotation, genutzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzmöglichkein von Spindeltrieben gegenüber dem genannten Stand der Technik zu erweitern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Getriebeanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Getriebeanordnung gemäß Anspruch 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt die mehrstufige Getriebeanordnung, und umgekehrt.
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Die Getriebeanordnung umfasst eine als Spindeltrieb ausgebildete erste Getriebestufe und eine ebenfalls als Spindeltrieb ausgebildete zweite Getriebestufe, wobei beide Getriebestufen eine gemeinsame Gewindespindel aufweisen. Hierbei ist eine erste mit der Gewindespindel zusammenwirkende Spindelmutter als rotierbares Antriebselement und eine zweite mit der Gewindespindel zusammenwirkende Spindelmutter als rotierbares Abtriebselement vorgesehen. Die Spindelmuttern sind auf verschiedenen Abschnitten der Gewindespindel angeordnet, wobei sich die mit den verschiedenen Spindelmuttern zusammenwirkenden Abschnitte der Gewindespindel hinsichtlich ihrer Steigung voneinander unterscheiden. Bei der Gewindespindel handelt es sich um ein verdrehgesichert verschiebbares Zwischenelement der Getriebeanordnung, welches nicht starr mit einem außerhalb der Getriebeanordnung befindlichen Element verbunden ist, das heißt keine direkte Kraft- oder Drehmomentübertragung an ein solches außerhalb der genannten Getriebestufen befindliches Element vorsieht.
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Insgesamt setzt die Getriebeanordnung somit eine Rotation in eine andere Rotation um. Es handelt sich also um ein Rotativ-Rotativ-Getriebe. Die lineare Bewegung der Gewindespindel innerhalb der Getriebeanordnung ist mit keinerlei Linearbewegung außerhalb der Getriebeanordnung gekoppelt. Dies stellt einen Paradigmenwechsel gegenüber gängigen Rotativ-Rotativ-Getrieben, die ausschließlich mit rotierenden Elementen, dar. Ein überraschender Vorteil der anmeldungsgemäßen Getriebeanordnung liegt darin, dass auf einfache Weise eine Verringerung oder Vermeidung von Spiel möglich ist. Insbesondere wird im Vergleich zu herkömmlichen Rotativ-Rotativ-Getrieben das Umkehrspiel verringert oder praktisch gänzlich eliminiert. Hierfür wird in Kauf genommen, dass aufgrund der beschränkten Verschiebbarkeit der Gewindespindel keine unbegrenzte Rotation der antreibenden und angetriebenen rotierenden Elemente möglich ist. Je nach Auslegung der Getriebeanordnung ist beispielsweise eine Rotation des angetriebenen Elementes um eine Höchstzahl an Umdrehungen, beispielsweise maximal zwei oder maximal vier volle Umdrehungen, möglich, wobei es sich bei der Höchstzahl auch um ein nicht ganzzahliges Vielfaches einer vollen Umdrehung handeln kann. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, bei welchen lediglich eine Schwenkbewegung des angetriebenen Elementes um weniger als 360° vorgesehen ist.
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Die beiden Abschnitte der Gewindespindel, welche zugleich ein Element der ersten Getriebestufe und ein Element der zweiten Getriebestufe darstellt, können entweder einen einheitlichen Durchmesser oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen. In beiden Fällen können die Gewindeabschnitte als eingängige oder mehrgängige Gewinde ausgebildet sein. So ist es möglich, dass entweder in jedem Abschnitt der Gewindespindel ein eingängiges Gewinde vorliegt, oder in genau einem Abschnitt ein eingängiges Gewinde und im anderen Abschnitt ein mehrgängiges Gewinde gegeben ist, oder beide Gewindeabschnitte mehrgängig sind.
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Eine mehrgängige, beispielsweise zweigängige, dreigängige oder viergängige Ausbildung eines Gewindes kommt insbesondere dann in Betracht, wenn eine vorgegebene Translation in eine nur geringfügige Schwenkbewegung umgesetzt werden soll. Dabei kann die in Axialrichtung der Gewindespindel zu messende Länge des Gewindes der zweiten Getriebestufe kürzer als die Steigung dieses Gewindes sein, wobei durch die mehrgängige Gestaltung des Gewindes auch in diesem Fall eine gleichförmige, auf mehrere Bereiche des Umfangs verteilte Einleitung eines Drehmoments in die abtriebsseitige Spindelmutter gegeben ist.
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Eine solche lediglich eine geringfügige Schwenkbewegung ermöglichende Auslegung bei der zweiten Getriebestufe kann im Extremfall bedeuten, dass die Gewindegänge näherungsweise parallel zur Mittelachse der Gewindespindel verlaufen. Insbesondere in einem solchen Fall kann das Gewinde der zweiten Spindelmutter zu einzelnen Zapfen entartet sein, die in die Gewindegänge der Gewindespindel eingreifen.
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Bei den beiden Getriebestufen der Getriebeanordnung, welche vereinfachend auch insgesamt als Spindeltrieb bezeichnet wird, kann es sich im einfachsten Fall um einfache Bewegungsgewinde, insbesondere in Form von Trapezgewindetrieben, handeln. Ebenso ist die Ausbildung einer Getriebestufe oder beider Getriebestufen als Wälzgewindetrieb, insbesondere Kugelgewindetrieb, möglich. In keinem dieser Fälle ist eine Überlappung der die verschiedenen Gewinde aufweisenden Abschnitte der Gewindespindel vorgesehen. Vielmehr können die beiden Abschnitte der Gewindespindel entweder aneinanderstoßen oder voneinander beabstandet sein. Im letzten Fall kann der Raum zwischen den genannten Abschnitten beispielsweise für eine Lagerung und/oder Verdrehsicherung der Gewindespindel genutzt werden.
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Die antriebsseitige Spindelmutter kann beispielsweise elektrisch direkt, das heißt getriebelos, oder über ein vorgeschaltetes Getriebe angetrieben sein. Im letztgenannten Fall handelt es sich zum Beispiel um ein als Untersetzungsgetriebe ausgelegtes Zahnradgetriebe oder um ein Umschlingungsgetriebe. Unabhängig davon, wie die antriebsseitige Spindelmutter angetrieben wird, kann auf der Abtriebsseite der anmeldungsgemäßen Getriebeanordnung ein Getriebe beliebiger Bauart angeordnet sein.
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Das Verfahren zum Betrieb der Getriebeanordnung sieht allgemein vor, dass eine Rotation eines eingangsseitigen, als Spindelmutter ausgebildeten Elementes eines eine erste Getriebestufe darstellenden Rotativ-Linear-Getriebes zunächst in eine Verschiebung eines als Gewindespindel ausgebildeten ausgangsseitigen Elementes dieser Getriebestufe umgesetzt wird. Dieselbe, innerhalb der Getriebeanordnung verdrehgesichert geführte Gewindespindel stellt zugleich ein eingangsseitiges Element eines Linear-Rotativ-Getriebes, das heißt einer zweiten Getriebestufe, dar.
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Im genannten Linear-Rotativ-Getriebe, das heißt der zweiten Getriebestufe, wird die Verschiebung der Gewindespindel in eine Rotation eines ausgangsseitigen Elementes, das heißt einer zweiten Spindelmutter, der gesamten Getriebeanordnung umgesetzt. Der Begriff „Rotation“ wird im vorliegenden Fall auch für Schwenkbewegungen von weniger als 360° verwendet.
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Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Getriebeanordnung,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Getriebeanordnung.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Getriebeanordnung, welche als Ganzes kurz auch als Spindeltrieb bezeichnet wird, umfasst eine einzige Gewindespindel 2, welche einen ersten Abschnitt 3 und einen zweiten Abschnitt 4 aufweist. Ein Gewindegang des ersten Abschnitts 3 ist mit 5, ein Gewindegang des zweiten Abschnitts 4 mit 6 bezeichnet. Die Gewindegänge 5, 6 unterscheiden hinsichtlich ihrer Steigung deutlich voneinander. Die Gewindespindel 2 ist in nicht dargestellter Weise in einer Umgebungskonstruktion, beispielsweise einem Aktuatorgehäuse, verdrehgesichert geführt.
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Mit dem ersten Abschnitt 3 wirkt eine erste Spindelmutter 7 zusammen. In analoger Weise ist dem zweiten Abschnitt 4 eine zweite Spindelmutter 8 zugeordnet. Durch die voneinander unterscheidbaren Abschnitte 3, 4 und die zugehörigen Spindelmuttern 7, 8 sind damit eine erste Getriebestufe 9 beziehungsweise eine zweite Getriebestufe 10 des Spindeltriebs 1 realisiert. Die Rotationsachse der Gewindespindel 2, das heißt die Mittelachse des gesamten Spindeltriebs 1, ist mit MA bezeichnet.
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Die erste Spindelmutter 7 fungiert als rotierendes Antriebselement der gesamten Getriebeanordnung 1. Bei der zweiten Spindelmutter 8 handelt es sich um das ebenfalls rotierende Abtriebselement der Getriebeanordnung 1. Die Getriebeanordnung 1 stellt somit ein Rotativ-Rotativ-Getriebe dar. Die Gewindespindel 2 ist als Zwischenelement der Getriebeanordnung 1 beiden Getriebestufen 9, 10 zuzurechnen, jedoch mit keinem antriebsseitigen oder abtriebsseitigen Element drehfest oder axialfest verbunden.
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Die beim Betrieb des Spindeltriebs 1 auftretende lineare Verschiebung der Gewindespindel 2 wird lediglich genutzt, um innerhalb der Getriebeanordnung 1 lineare und rotative Bewegungen ineinander umzusetzen. Da der Verschiebeweg der Gewindespindel 2 begrenzt ist, sind zwangsläufig auch die maximalen Verdrehungen der Spindelmuttern 7, 8 limitiert. Insbesondere kann eine maximale Verschwenkung der abtriebsseitigen Spindelmutter 8 auf weniger als eine volle Umdrehung vorgesehen sein.
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In den Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem im ersten Abschnitt 3 ausgebildeten Gewinde 5 ein Gewinde mit vorgegebener, bei gängigen einstufigen Gewindetrieben typischer Steigung. Dagegen ist in der zweiten Getriebestufe 10, die auch als abtriebsseitige Getriebestufe bezeichnet wird, eine deutlich größere Gewindesteigung gegeben. Wird beispielsweise die eingangsseitige Spindelmutter 7 um eine volle Umdrehung gedreht, so sorgt die vergleichsweise große Gewindesteigung im zweiten Abschnitt 4 dafür, dass die abtriebsseitige Spindelmutter 8 um deutlich weniger als 360° verschwenkt wird. Würde der Gewindegang 6 des zweiten Abschnitts 4, anders als in den Figuren skizziert, annähernd parallel zur Mittelachse MA verlaufen oder - im Fall eines mehrgängigen Gewindes - eine Anordnung aus einer Mehrzahl solcher nahezu in Längsrichtung der Gewindespindel 2 verlaufender Gewindegänge vorliegen, so hieße dies, dass eine durch Rotation der ersten Spindelmutter 7 bewirkte Verschiebung der Gewindespindel 2 lediglich zu einer äußerst geringen Verschwenkung der abtriebsseitigen Spindelmutter 8 führt. Es läge somit ein Untersetzungsgetriebe mit einem extremen Untersetzungsverhältnis vor.
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Bei den in den Figuren visualisierten Ausführungsbeispielen handelt es sich dagegen um Untersetzungsgetriebe mit moderatem Untersetzungsverhältnis. Die Spindeltriebe 1 nach den 1 und 2 können beispielsweise Planetengetriebe oder andere Getriebe mit koaxialer Anordnung von antreibender Welle und Abtriebswelle ersetzen. Von solchen bekannten Getriebetypen unterscheiden sich die Getriebeanordnungen 1 nach den 1 und 2 hinsichtlich ihrer Funktion unter anderem dadurch, dass bei Umkehr der Drehrichtung, hier der Richtung der Rotation der ersten Spindelmutter 7, kaum ein Umkehrspiel auftritt. Unter der Voraussetzung, dass die Getriebestufen 9, 10 nicht selbsthemmend ausgelegt sind, ist auch eine Verwendung der zweiten Spindelmutter 8 als antreibendes Element und der ersten Spindelmutter 7 als Abtriebselement denkbar, wobei in einem solchen Fall eine Übersetzung ins Schnellere vorläge.
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Im Ausführungsbeispiel nach 1 weist der erste Abschnitt 3 der Gewindespindel 2 einen Durchmesser D1 auf, wogegen der zweite Abschnitt 4 einen vergleichsweise geringen Durchmesser D2 aufweist. Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist dagegen ein einheitlicher Durchmesser D der gesamten Gewindespindel 2 gegeben.
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Beispielhaft sind in den Figuren verschiedene Möglichkeiten des Antriebs der ersten Spindelmutter 7 skizziert. Im Fall von 1 ist die Spindelmutter 7 über ein vorgeschaltetes Untersetzungsgetriebe 11 in Form eines Umschlingungsgetriebes, nämlich Riemengetriebes, angetrieben. Der mit 12 bezeichnete Riemen des vorgeschalteten Getriebes 11 läuft über eine Riemenscheibe 13, welche fest mit einer Welle 15 eines Elektromotors 14 verbunden ist. Die Achse des Elektromotors 14 ist parallel zur Mittelachse MA angeordnet. Als zweite Riemenscheibe des Umschlingungsgetriebes 11 fungiert die erste Spindelmutter 7 oder ein fest mit der ersten Spindelmutter 7 verbundenes Element. Im Fall einer Ausbildung der ersten Getriebestufe 9 als Planetenwälzgetriebe kann auch ein dessen Planeten führender Käfig als Abtriebselement des Untersetzungsgetriebes 11 und zugleich antreibendes Element der ersten Getriebestufe 9 vorgesehen sein.
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In dem in 2 veranschaulichten Fall ist die erste Spindelmutter 7 elektrisch direkt angetrieben. In diesem Fall ist ein hülsenförmiges Kopplungselement 16 drehfest mit dem mit 17 bezeichneten Rotor des Elektromotors 14 verbunden. Alternativ kann die Spindelmutter 7 Bestandteil des Rotors 17 sein. Der zugehörige Stator des Elektromotors 14 ist mit 18 bezeichnet. In der in 2 erkennbaren Anordnung taucht die Gewindespindel 2, je nach Einstellung der Getriebeanordnung 1, mehr oder weniger weit in den Elektromotor 14 ein.
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Sowohl im Ausführungsbeispiel nach 1 als auch im Ausführungsbeispiel nach 2 ist die Getriebeanordnung 1 insbesondere für Verwendung in elektromechanischen Aktuatoren geeignet, welche zur winkelbegrenzten Verschwenkung eines Maschinenelementes vorgesehen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Getriebeanordnung, Spindeltrieb
- 2
- Gewindespindel
- 3
- erster Abschnitt der Gewindespindel
- 4
- zweiter Abschnitt der Gewindespindel
- 5
- Gewindegang des ersten Abschnitts
- 6
- Gewindegang des zweiten Abschnitts
- 7
- erste Spindelmutter
- 8
- zweite Spindelmutter
- 9
- erste Getriebestufe des Spindeltriebs
- 10
- zweite Getriebestufe des Spindeltriebs
- 11
- vorgeschaltetes Untersetzungsgetriebe, Umschlingungsgetriebe
- 12
- Riemen
- 13
- Riemenscheibe
- 14
- Elektromotor
- 15
- Welle des Elektromotors
- 16
- Kopplungselement
- 17
- Rotor
- 18
- Stator
- D, D1, D2
- Durchmesser
- MA
- Mittelachse
