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Die Erfindung betrifft eine Getriebebox nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein Drehlager und das darin gelagerte Spannungswellengetriebe bilden eine Getriebebox. Derartige Getriebeboxen werden in vielfältiger Weise in vielen Technologiebereichen eingesetzt. Insbesondere finden derartige Getriebeboxen in der Robotertechnik und auch in der Prothetik vermehrt Anwendung.
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Ein Spannungswellengetriebe besteht aus drei koaxial zueinander angeordneten Komponenten, der Baugruppe Wave-Generator, die einen elliptischen Querschnitt aufweist, dem starren innenverzahnten Hohlrad Circular Spline und dem dünnwandigen büchsenförmigen außenverzahnten Getriebebauteil Flexspline. Der Wave-Generator verformt über ein Kugellager den verzahnten Bereich des Flexsplines, sodass sich die Außenverzahnung des Flexsplines beiderseits der großen Ellipsenachse mit der Innenverzahnung des Circular Spline im Eingriff befindet.
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Mit Drehen des Wave-Generators verlagert sich die große Ellipsenachse und damit der Zahneingriffsbereich in Umfangsrichtung. Da der Flexspline des Getriebes in der Regel zwei Zähne weniger als der Circular Spline besitzt, dreht sich während einer halben Umdrehung des Wave-Generators der Flexspline relativ zum Circular Spline um den Winkel einer Zahnteilung und während einer ganzen Umdrehung um den Winkel von zwei Zahnteilungen. Bei fixiertem Circular Spline dreht sich der Flexspline als Abtriebselement entgegengesetzt zum Wave-Generator. Der Circular Spline kann dabei in einem Drehlagerring fixierbar angeordnet sein
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Zur Realisierung einer Drehbewegung werden das außenverzahnte Getriebebauteil bzw. der Flexspline und das Hohlrad bzw. der Circular Spline des Spannungswellengetriebes mit je einem Ring des Drehlagers verbunden.
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Aus der
DE 10 2015 104 308 A1 ist bekannt, ein Drehlager derart auszubilden, dass das Hohlrad beziehungsweise das Übertragungsbauteil und der Drehlagerring jeweils mit wenigstens einer Aufnahme versehen sind, durch welche in einer korrespondierenden Stellung der beiden Aufnahmen zueinander Wälzkörper in ein Drehlager zwischen der Drehlagerfläche des Rades beziehungsweise des Übertragungsbauteils und der Drehlagerfläche des Drehlagerrings einbringbar sind.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2020 109 646 A1 ist ein Drehlager mit einem inneren und einem äußeren Drehlagerring offenbart, bei welchem zwischen einer Drehlagerfläche des inneren Drehlagerrings und einer Drehlagerfläche des äußeren Drehlagerrings ein Wälzlager mit Aufnahmen für die Wälzkörper angeordnet ist, wobei in wenigstens einer Aufnahme zwischen Aufnahmeöffnung und Wälzkörpern des Wälzlagers ein Führungsring für die Wälzkörper angeordnet ist.
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Nachteilig bei den bekannten Lösungen ist, dass zur axialen Sicherung der Wälzkörper ein zusätzliches Bauteil eingesetzt werden muss, wodurch sich die Anzahl der Bauteile, die Herstellungskosten, der Verschleiß und die Fehleranfälligkeit erhöhen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein oben beschriebenes Getriebe dahingehend zu verbessern, dass die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Circular Spline bzw. das Hohlrad ein Sicherungselement aufweist, welches eine axiale Bewegung der Wälzkörper blockiert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Herausfallen der Wälzkörper aus dem Drehlager unbedingt vermieden werden sollte. Insbesondere in schwierig zugänglichen Einbausituationen ist ein Austausch des Drehlagers sehr aufwändig. Zudem können Fehlfunktionen und Blockieren des Lagers im Betriebszustand zu gefährlichen Situationen führen. Die Verwendung eines separaten Bauteils als Führungsring zur axialen Beschränkung der Wälzkörper erhöht den Montageaufwand des Drehlagers.
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Wie nunmehr erkannt wurde, kann das Herausfallen der Wälzkörper ohne zusätzliches Bauteil verhindert werden, indem in einem sowieso vorhandenen Bauteil, welches an die Einfüllnut für die Wälzkörper angrenzt, das Sicherungselement integriert wird. Da der Circular Spline an die Einfüllnut angrenzend angeordnet werden kann, kann das Sicherungselement mit dem Circular Spline integriert werden, sodass kein weiteres Bauteil notwendig ist. Das Sicherungselement ist somit mit dem Circular Spline bzw. Hohlrad integriert ausgeführt, was bedeutet, dass beide Teile einstückig bzw. aus einem Material gefertigt sind.
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Das Sicherungselement fungiert somit gewissermaßen als Sicherungsnase. Der Circular Spline bzw. das Hohlrad erfüllt somit eine Doppelfunktion, indem er neben seiner Getriebefunktion auch das Herausfallen der Wälzkörper verhindert.
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Die Bauteile der Getriebebox, nämlich die beiden Drehlagerringe, Baugruppe Wave-Generator, der Flexspline bzw. das außenverzahnte Getriebebauteil und der Circular Spline bzw. das Hohlrad sind koaxial zu einer Mittellängsachse des Spannungswellengetriebes bzw. der Getriebebox angeordnet.
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Das Sicherungselement ist in einer bevorzugten Ausführungsform um den vollen Umfang des Hohlrades, insbesondere rotationssymmetrisch, ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass in jeder rotatorischen Stellung des Rades die Wälzkörper gesichert werden, wodurch die Montage der Getriebebox vereinfacht wird. Gleichzeitig wird eine Zentrierung ermöglicht, sodass das rotatorisch symmetrische Sicherungselement eine Doppelfunktion ausübt.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist das Sicherungselement derart ausgebildet, dass es umfangsseitig nur einen endlichen Winkel einnimmt. Dieser Ausführung liegt die Überlegung zugrunde, dass nur im Bereich der Einfüllnut eine Sicherung der Wälzkörper erfolgen muss. Die Größe des Winkels hängt von der Größe der Wälzkörper ab und ist so zu wählen, dass ein Herausfallen oder Klemmen verhindert wird. Dieser liegt vorzugsweise in einem Bereich 5° und 15°. Auf diese Weise kann bei der Fertigung des Rades Gewicht eingespart werden.
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Das Sicherungselement weist vorteilhafterweise eine zur Mittellängsachse des Spannungswellengetriebes senkrechte Anlauffläche für die Wälzkörper auf. Die Anlauffläche ist bevorzugt als ebene Fläche ausgebildet. Alternativ kann die Anlauffläche konvex oder konkav ausgebildet sein.
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Das Sicherungselement weist bevorzugt in radialer Richtung (senkrecht zur Mittellängsachse des Spannungswellengetriebes) eine Ausdehnung auf, die zwischen 4% und 10%, insbesondere bei 7%, des Radius der Wälzkörper liegt.
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Bevorzugt schränkt das Sicherungselement die axiale Bewegung der Wälzkörper auf weniger als 10% des Radius der Wälzkörper ein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sicherungselement als axialer Kragen ausgebildet. Der axiale Kragen ragt bevorzugt axial, d.h. in einer Richtung parallel zur Mittellängsachse des Getriebes bzw. der Getriebebox, in die Einfüllnut hinein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Sicherungselement als axialer Vorsprung ausgebildet, dessen Querschnittsfläche durch zwei Kreisbögen gebildet wird. Der innere Kreisbogen hat einen größeren Radius, sein Mittelpunkt liegt auf der Bauteilachse. Der Mittelpunkt des äußeren Kreisbogens mit dem kleineren Radius liegt auf oder in der Nähe des inneren Kreisbogens. Die Achse des Vorsprunges kann parallel zur Mittellängsachse des Getriebes verlaufen oder entsprechend der Achse der Einfüllöffnung verkippt sein. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist der deutlich erhöhte Widerstand gegen Deformationen des Sicherungselements unter Extremlasten.
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Bevorzugt ist das Hohlrad bzw. der Circular Spline aus Stahl- oder Gusswerkstoffen hergestellt.
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Das Spannungswellengetriebe ist in einer ersten bevorzugten Ausführung als Flachgetriebe ausgebildet. In einer zweiten bevorzugten Ausführung ist das Spannungswellengetriebe als Topfgetriebe ausgebildet.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass durch die Integration eines Sicherungselementes für die Wälzkörper mit dem Circular Spline eine besonders zuverlässige und robuste Ausführung einer Getriebebox bereitgestellt wird. Da für die axiale Beschränkung der Wälzkörper kein separates Bauteil notwendig ist, wird die Montage der Getriebebox vereinfacht. Darüber hinaus ist das Sicherungselement über die Verschraubung des Circular Splines fixiert.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen dabei schematisch:
- 1 die Vorderansicht eines Drehlager mit einem darin gelagerten Topfgetriebe in einer bevorzugten Ausführungsform im Längsschnitt,
- 2 eine Ausschnittsvergrößerung aus 1,
- 3 die Vorderansicht eines Drehlagers mit einem Flachgetriebe im Längsschnitt,
- 4 eine Ausschnittsvergrößerung aus 3,
- 5 einen Circular Spline in einer bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung,
- 6 den Circular Spline gemäß 5 in einer Seitenansicht von links,
- 7 den Längsschnitt von 6,
- 8 einen Circular Spline in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung,
- 9 den Circular Spline gemäß 8 in einer Seitenansicht von links, und
- 10 den Längsschnitt von 9.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehlagers 50 und einem darin gelagerten Spannungswellengetriebe 40, die zusammen eine Getriebebox 70 bilden, in montiertem Zustand im Längsschnitt gezeigt.
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Das Drehlager 50 weist einen äußeren Drehlagerring 1a mit einer Drehlagerfläche 9 bzw. Laufbahn (siehe 2) und einen radial innen und koaxial dazu angeordneten inneren Drehlagerring 1b mit einer Drehlagerfläche 7 bzw. Laufbahn, sowie die Wälzkörper 16 auf. Die Laufbahnen beider Drehlagerringe 1a, 1b sind an einer Stelle des Umfangs durch eine Einfüllöffnung 18 unterbrochen, durch welche die Wälzkörper 16 in das Drehlager 50 eingefüllt werden. Die Laufbahnen sind in einer bevorzugten Ausführung wie bei einem Vierpunktlager ausgeführt. Die Wälzkörper 16 sind im dargestellten Beispiel als Kugeln ausgeführt und ermöglichen eine reibungsarme Verdrehung der Drehlagerringe 1a und 1b und verhindern gleichzeitig eine Verkippung und Verlagerung der Bauteile des Spannungswellgetriebes 40. Der in der 1 dargestellte Radialwellendichtring 30 ist eine radial wirkende Dichtung, die das Austreten von Schmierstoff aus dem Drehlager verhindert. Außerdem verhindert diese Dichtung ein Eintreten von Fremdstoffen in das Drehlager.
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Das Spannungswellengetriebe 40 ist als Topfgetriebe ausgeführt und weist einen elliptischen Wave-Generator 10, einen Flexspline 4 mit Außenverzahnung 3 und einen Circular Spline 6 mit einer Innenverzahnung 5 auf.
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Der Wave-Generator 10 ist bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel durch eine zentrische Nabe, dem sogenannten Plug 28, und mit einem Kugellager, dem sogenannten Wave-Generator-Lager 12 gebildet. Der Plug 28 weist radial an seiner Außenseite einen ellipsenähnlichen Querschnitt auf. Auf dieser Mantelfläche mit dem elliptischen Querschnitt ist das Wave-Generator-Lager 12 montiert. Es ist so ausgebildet, dass es die Verformung in den elliptischen Querschnitt erträgt.
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Die Bauteile des Spannungswellgetriebes 40 sind koaxial angeordnet. Durch den Wave-Generator 10 wird der Flexspline 4 ebenfalls elliptisch verformt. Der elliptisch verformte Flexspline 4 greift mit seiner Außenverzahnung 3 in den gegenüberliegenden Bereichen der großen Ellipsenachse in eine Innenverzahnung 5 des Circular Splines 6 ein.
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Der Flexspline 4 befindet sich mit seiner Außenverzahnung 3 lediglich im Bereich der großen Ellipsenachse in Eingriff mit der Innenverzahnung 5 des Circular Splines 6. Durch Drehen des Wave-Generators 10 verlagert sich die elliptische Verformung entlang des Umfangs des Flexsplines 4 und es kommt zu einer rotatorischen Relativbewegung zwischen Flexspline 4 und Circular Spline 6, wodurch eine hohe Untersetzung in nur einer Getriebestufe realisiert wird.
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Der Flexspline 4 besitzt in dem hier gewählten Ausführungsbeispiel zwei Zähne weniger als der Circular Spline 6, sodass sich während einer halben Umdrehung des Wave-Generators 10 eine relative Drehung zwischen Flexspline 4 und Circular Spline 6 um den Winkel einer Zahnteilung und während einer ganzen Umdrehung um zwei Zahnteilungen vollzieht.
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Die Bauteile des Drehlagers 50 und des Spannungswellgetriebes 40, nämlich der innere Drehlagerring 1a, der äußere Drehlagerring 1b der Wave-Generator 2, der Flexspline 4 und der Circular Spline 6, sind koaxial um eine gemeinsame Mittellängsachse 15 angeordnet. Der Flexspline 4 ist mit dem inneren Drehlagerring 1b verbunden. Der Circular Spline 6 ist mit dem äußeren Drehlagerring 1a verbunden.
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Die Getriebebox 70 und damit das Drehlager 50 ist für eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer optimiert. Um das Herausfallen der Wälzkörper 16 aus der Einfüllnut 18 zu verhindern, weist der Circular Spline 6 ein Sicherungselement 20 auf bzw. ist mit diesem integral ausgebildet, welches im vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel als axialer Kragen 22 ausgebildet ist, siehe 2. Das bedeutet, dass sich das Sicherungselement 20 in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Mittellängsachse 15, in die Einfüllnut 18 erstreckt. Der axiale Kragen 22 weist eine zu einer Mittellängsachse 15 des Spannungswellengetriebes 40 senkrechte Anlauffläche 17 für die Wälzkörper 16 auf. Der axiale Kragen 22 weist darüber hinaus in radialer Richtung, d.h. in einer Richtung senkrecht zur Mittellängsachse 15, eine konstante Dicke auf. Er verläuft in Umfangrichtung des Rades 6 vollständig, d.h. 360°.
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Dadurch, dass das Sicherungselement 20 integral mit dem Circular Spline 6 ausgebildet ist bzw. mit diesem integriert ist, kann auf einen separaten Führungsring als zusätzliches Bauteil verzichtet werden, wodurch die Montage der Getriebebox 70 vereinfacht wird.
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In den 3 und 4 ist ein Drehlager 50 mit einem Spannungswellengetriebe 40 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Das Spannungswellengetriebe 40 ist hierbei als Flachgetriebe ausgebildet. Auch bei diesem Spannungswellengetriebe 40 weist der Circular Spline 6 ein Sicherungselement 20 auf, welches als Kragen 22 ausgebildet ist und besitzt eine Anlauffläche 17 für die Wälzkörper 16, die senkrecht zur Mittellängsachse 15 des Spannungswellengetriebes 40 ausgerichtet ist.
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In 5 ist ein Circular Spline 6 für ein Spannungswellengetriebe 40 in einer bevorzugten Ausführungsform perspektivisch dargestellt. Der Circular Spline 6 gemäß 5 ist in 6 in einer Seitenansicht gezeigt, wobei dessen Längsschnitt in 7 abgebildet ist.
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Der Circular Spline 6 weist ein Sicherungselement 20 auf, welches als Kragen 22 ausgebildet ist. Im Gegensatz zu dem Kragen 22 der in den 1 und 2 gezeigten Ausführung, verläuft der Kragen in Umfangsrichtung nicht vollständig am Circular Spline 6. Der Kragen 22 überstreicht vorteilhafterweise einen Winkel α (siehe 6), der so groß oder etwas größer als die Einfüllöffnung für die Wälzkörper 16 ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt er beispielhaft 10°. Der axiale Kragen 22 weist eine zu einer Mittellängsachse 15 des Spannungswellengetriebes 40 senkrechte Anlauffläche 17 für die Wälzkörper 16 auf.
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In 8 ist ein Circular Spline 6 für ein Spannungswellengetriebe 40 in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform perspektivisch dargestellt. Der Circular Spline 6 gemäß 8 ist in 9 in einer Seitenansicht gezeigt, wobei dessen Längsschnitt in 10 abgebildet ist. Der Circular Spline 6 weist ein Sicherungselement 20 auf, welches in dieser Ausführungsform als axialer Vorsprung 24 ausgebildet ist. Im Gegensatz zu dem Kragen 22 der in den 1-4 gezeigten Ausführung verläuft der axiale Vorsprung 24 umfangseitig nicht vollständig am Circular Spline 6. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Sicherungselement als axialer Vorsprung ausgebildet, dessen Querschnittsfläche durch zwei Kreisbögen gebildet wird. Der inneren Kreisbogen hat einen größeren Radius, sein Mittelpunkt liegt auf der Bauteilachse. Der Mittelpunkt des äußeren Kreisbogens mit dem kleineren Radius liegt auf oder in der Nähe des inneren Kreisbogens, d.h. der Vorsprung hat eine größere Anlauffläche für die Wälzkörper 16.
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Der axiale Vorsprung 24 (siehe 9) ist etwas kleiner als die Einfüllöffnung für die Wälzkörper 16. Der axiale Vorsprung 24 weist in der gezeigten Ausführung eine zu einer Mittellängsachse 15 des Spannungswellengetriebes 40 senkrechte Anlauffläche 17 für die Wälzkörper 16 auf. Der Vorteil dieser Ausführung besteht in erhöhtem Widerstand gegen austretende Kugeln.
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Bei allen in den 1-10 dargestellten Circular Splines 6 sind die Sicherungselemente 20 jeweils einteilig mit dem Circular Spline 6 gefertigt. Der Circular Spline 6 ist vorzugsweise aus Guss- oder Stahlwerkstoffen gefertigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- äußerer Drehlagerring
- 1b
- innerer Drehlagerring
- 3
- Außenverzahnung
- 4
- Flexspline
- 5
- Innenverzahnung
- 6
- Circular Spline
- 7
- Drehlagerfläche am inneren Drehlagerring
- 8
- Wälzkörper
- 9
- Drehlagerfläche am äußerem Drehlagerring
- 10
- Wave-Generator
- 12
- Wave-Generator-Lager
- 15
- Mittellängsachse
- 16
- Wälzkörper
- 17
- Anlauffläche
- 18
- Einfüllnut
- 20
- Sicherungselement
- 22
- axialer Kragen
- 24
- Vorsprung
- 28
- Plug
- 30
- Radialwellendichtring
- 40
- Spannungswellengetriebe
- 50
- Drehlager
- 70
- Getriebebox
- α
- Winkel
