-
Getriebe mit mehreren Zahnrädern Die Erfindung bezieht sich auf ein
Getriebe mit mehreren Zahnrädern und mindestens einem beweglichen Bauteil, das gelenkig
mit wenigstens einem starren Bauteil verbunden ist, und einem mit verhältnismäßig
hoher Geschwindigkeit umlaufenden Antriebsrotor zwischen diesen Bauteilen.
-
Es ist ein Rädergetriebe bekannt, bei dem eines der ineinandergreifenden
Zahnräder eine starre Nabe aufweist, um deren Umfang herum eine Reihe von losen,
mit geringem Spiel nebeneinanderliegenden Stäben, dünne Walzen oder Plättchen vorgesehen
sind, die derart nachgiebig gelagert sind, daß sie radial nach innen gerichteten
Drücken nachgeben und selbsttätig in ihre Ruhelage zurückkehren können. Eine solche
Anordnung hat den Nachteil, daß die zahlreichen im Betrieb aneinanderreibenden Stäbe,
Walzen od. dgl. eine verhältnismäßig große Reibungswärme erzeugen, ferner verschleißanfällig
und zur Übertragung größerer Drehmomente kaum geeignet sind. Die Anwendung eines
solchen Antriebselementes als Zentralrad für ein Umlaufrädergetriebe, das größte
Drehmomente überträgt, ist daher nicht ohne weiteres durchführbar und auch nicht
zweckmäßig. Ferner ist ein derartiges Element nicht zur Änderung der Drehzahlen
bzw. der Übersetzungsverhältnisse geeignet.
-
Bei selbstsperrenden Ausgleichsgetrieben, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
ist es ferner bekannt, einen Außen- und Innenring mit zwischengeschalteten Sperrkörpern
vorzusehen, wobei die eine oder beide Ringseiten, die den Sperrkörpern gegenüberliegen,
mit nockenartigen Angriffsflächen für die Sperrkörper versehen sind. Eine solche
Anordnung erfüllt bei Ausgleichsgetrieben ihren Zweck, ist jedoch auf Umlaufrädergetriebe
nicht ohne weiteres übertragbar.
-
Bei einer anderen bekannten Getriebeanordnung ist eine Reihe von Zahnstiften
in radialen Bohrungen eines Ringes beweglich geführt, wobei die äußeren Enden der
Zahnstifte mit den Zähnen eines innenverzahnten Ringes und ihre inneren Enden mit
einem umlaufenden Nocken fortschreitend in Eingriff bzw. Anlage kommen. Eine solche
Anordnung ist teileaufwendig, erfordert eine präzise Lagerung der Zahnstifte, ist
außerdem sehr verschleißanfällig und dürfte zur Übertragung sehr großer Drehmomente
ebenfalls nicht zweckmäßig sein.
-
Es ist auch bereits ein Getriebe zur Übertragung von Drehbewegungen
für hohe übersetzungsverhältnisse vorgeschlagen worden, das ein Paar konzentrisch
ineinander angeordnete Zahnkränze, deren Verzahnungen miteinander im Eingriff stehen,
aufweist. Die Zahl der Zähne des einen Zahnkranzes ist dabei von der des anderen
Zahnkranzes verschieden und der innere Zahnkranz ist in radialer Richtung durch
einen Nocken verformbar. Der innere Zahnkranz besteht aus einem ausbiegbaren Element,
das aus Gummi, Nylon oder einem ähnlichen Kunststoff oder auch aus Stahl hergestellt
ist. Im Falle der Verwendung von Gummi oder entsprechenden Kunststoffen können jedoch
von einem solchen Getriebe keine großen Drehmomente übertragen werden, da die an
den Zähnen wirkenden Scherkräfte eine Zerstörung der Verzahnung verursachen würden.
Bei Verwendung von federndem Metall besteht wiederum die Gefahr, daß durch die andauernde
Verformungsarbeit im Betrieb eine Materialermüdung auftritt, die zu Brüchen und
Zerstörung des Getriebes führen kann.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die vorstehenden Nachteile zu vermeiden
und ein Umlaufrädergetriebe zu schaffen, das große Belastungen aufnehmen bzw. zur
Übertragung größter Drehmomente über lange Zeiträume geeignet ist, wartungsfrei
arbeitet und verschleißarm ist.
-
Die Erfindung besteht darin, daß mehrere verzahnte Elemente, die beweglich
zueinander und um den Antriebsrotor herum angeordnet sind, den Antriebsrotor und
die Zahnkränze miteinander verbinden, wobei die Anzahl der Zähne des beweglichen
Zahnkranzes von der Anzahl der Zähne der ortsfesten
Zahnkränze
verschieden ist, daß der Antriebsrotor aus einer auf einer Antriebswelle angeordneten
Nockenwalze mit mehreren Nocken besteht und daß der bewegliche Zahnkranz und die
ortsfesten Zahnkränze nebeneinander rund um den Antriebsrotor angeordnet sind. Ein
solches Getriebe hat den Vorteil, daß es teilesparend und kompakt ausgeführt und
somit wirtschaftlich herstellbar ist. Weiter können durch das erfindungsgemäße Getriebe
größte Drehmomente übertragen werden, da die Last über eine große Anzahl von einen
Abstand voneinander aufweisenden Belastungsstellen verteilt wird. Das Getriebe nach
der Erfindung kann ferner auf einfache Weise abgedichtet und mit einem Dauerschmiermittel
gefüllt werden, so daß keine Verunreinigungen eindringen können.
-
Im folgenden wird an Hand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert.
-
F i g. 1 zeigt einen axialen Schnitt durch ein Getriebe gemäß der
Erfindung, F i g. 2 eine Draufsicht auf das Getriebe mit Befestigungsmitteln, F
i g. 3 eine Seitenansicht des Getriebes nach F i g. 2, F i g. 4 einen Schnitt entlang
der Linie 4-4 nach Fig.l, F i g. 5 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform
(teilweise im Schnitt), die als Umlaufrädergetriebe ausgebildet ist, F i g. 6 eine
Seitenansicht des Getriebes nach F i g. 5, teilweise im Schnitt, und F i g. 7 eine
Seitenansicht einer abgeänderten Form eines Nockens, der in Verbindung mit den Getriebeanordnungen
nach den F i g. 4 oder 5 Verwendung findet.
-
Nach den F i g. 1 bis 4 ist ein Zahnkranz 12 zwischen zwei Zahnkränzen
14 und 16 eingesetzt. Zwischen den Zahnkränzen 12 und 14 und den Zahnkränzen 12
und 16 sind Wälzlager 18 angeordnet. Diese Lager sind an den Zahnkränzen befestigt,
um eine relative Drehung des Zahnkranzes 12 gegenüber den Zahnkränzen 14
und 16 zu ermöglichen und um ferner die Belastung, die auf dem Zahnkranz12 liegt,
auf die Zahnkränze 14 und 16 zu übertragen. In ihrer Wirkung entsprechen die beiden
Lager 18 zwei Schiebeflächen, die die Last auf einem relativ großen Durchmesser
aufnehmen. Die Last ist dabei relativ zu den festen Zahnkränzen um die Achse des
Getriebes frei bewegbar, jedoch starr gegen eine radiale oder axiale Bewegung gesichert.
-
In den F i g. 2 und 3 ist der Zahnkranz 12 an einer Seite mit Ansätzen
20 versehen, an denen ein unter Last stehendes Teil 22 durch Schrauben 24 befestigt
ist. Die Zahnkränze 14 und 16 sind mit Ansätzen 26
versehen,
die um die Zahnkränze herum in einem ausreichenden Abstand voneinander angeordnet
sind, so daß zwei Reihen von Öffnungen vorgesehen werden können. Eine Reihe von
öffnungen28 ermöglicht die Befestigung des Getriebes an einer Stützkonstruktion
30, z. B. über die Schrauben 32. Die andere Reihe von Öffnungen 34 in den Ansätzen
26 gestattet eine Befestigung über die Schrauben 36, die die Zahnkränze 14 und 16
axial im Abstand voneinander halten. Dieser Abstand ist erforderlich, um den Zahnkranz
12 in geeigneter Weise zu stützen. Auf i den entgegengesetzten Seiten der Zahnkränze
14 und 16 sind zusätzliche Ansätze 38 vorgesehen, die eine weitere Schraube 36 aufweisen,
die die Zahnkränze 14 und 16 in gewissem Abstand hält. Aus F i g. 3 ist ersichtlich,
daß die Ansätze 38 zwischen den Ansätzen 20 des Zahnkranzes 12 liegen,
so daß sich letzterer und das Teil 22 nach oben und unten um einen bestimmten Winkel
hin- und herbewegen können, ohne die Ansätze 38 und die Schrauben 36 zu berühren.
Die Dimensionierung dieser Befestigungselemente kann natürlich geändert werden,
um eine größere bzw. kleinere Winkelbewegung des Zahnkranzes 12 und des Teiles 22
zu erzielen.
-
Wie den F i g. 1 bis 4 zu entnehmen ist, ist die eine Seite des Zahnkranzes
14 als Abschluß 60 mit einem Lager 62 ausgebildet, das das eine Ende
einer Antriebswelle 64 trägt, die mit hoher Geschwindigkeit umläuft. Der
Zahnkranz 16 besitzt ferner einen Abschluß 66, der mit einem Lager 68 zur Unterstützung
des anderen Endes der Antriebswelle 64
versehen ist. Innerhalb des Zahnkranzes
16 ist am Ende ein Planetenradübersetzungsgetriebe 70 vorgesehen, das ein
Armkreuz 72 trägt, auf dem zusammen umlaufende Planetenzahnräder 74 und 76 befestigt
sind. Die Zahnräder 76 greifen in ein Antriebsrad 78 auf der Welle 64 ein
und stehen ebenfalls im Eingriff mit einem starren Zahnkranz 80, der seitlich des
Zahnkranzes 16 angeordnet ist. Die Drehung der Antriebswelle 64 verursacht
eine Drehung des Planetenarmkreuzes. Die Zahnräder 74 greifen in einen Zahnkranz
82, dessen Umfangsteilung von der des Zahnkranzes 80 verschieden ist, so
daß der Zahnkranz 82 mit einer Geschwindigkeit rotiert, die wesentlich kleiner
ist als die der Welle 64. Der Zahnkranz 82 bildet mit einer Nockenwalze 84, die
mehrere Nocken aufweist, einen gemeinsamen Bauteil. Die Nockenwalze 84 ist
in Lagern 85 und 86 in den seitlichen Abdeckungen der Zahnkränze 16
und 14 gelagert. Die Nockenwalze 84 erstreckt sich in Längsrichtung der Getriebeanordnung
und überbrückt die drei Zahnkränze 12, 14 und 16. Die Nockenwalze
84
wird (vgl. F i g. 1 und 4) von einem Rollenlager 88
umfaßt, die so
weit wie die Nockenwalze reicht. Um das Rollenlager ist eine dünne, flexible, gehärtete
Metallhülse 89 angeordnet, die das Rollenlager in Anlage mit der Nockenwalze 84
hält und die als äußerer Laufring des Rollenlagers wirkt. Die Rollen des Lagers
sind über einen federnden Käfig 90 miteinander verbunden, so daß, wenn die
Hülse 89 relativ zur Nockenwalze umläuft, sich die Rollen und die Hülse dem Profil
der Nockenwalze anpassen.
-
Der ringförmige Zahnkranz 12 ist mit einer Innenverzahnung
91 versehen, deren Zähne mit 92 bezeichnet sind. In ähnlicher Weise
besitzen die Zahnkränze 14 und 16 Innenverzahnungen 93, deren
Zähne mit 94 bezeichnet sind. Die Anzahl der Zähne und die Umfangsteilungen
der Innenverzahnungen 91
und 93 sind etwas verschieden. Zwischen den Verzahnungen
91 und 93 und der Hülse 89 ist eine Reihe von Segmenten 96
vorgesehen, die Seite an Seite angeordnet sind und die die sämtlichen Zähne
92 und 94 überbrücken. Diese Segmente sind untereinander gliedartig
verbunden und werden durch Drehung der Nockenwalze 84 bewegt. Die Segmentzähne
98, die in die Zähne 92 des Zahnkranzes 12 eingreifen, haben die gleiche
Umfangsteilung wie die Zähne der Innenverzahnung 91. In ähnlicher Weise besitzen
die Segmentzähne 100 an den Enden der Segmente, die in die Innenverzahnung
93 eingreifen, dieselbe Umfangsteilung wie die Zähne 94. Entsprechend der unterschiedlichen
Umfangsteilung der Zähne 92 und
94 und der betreffenden unterschiedlichen
Umfangsteilung der Segmentzähne rotiert der Zahnkranz 12 oder bewegt sich in bezug
auf die Zahnkränze 14 und 16 entsprechend hin und her, wenn die Nockenwalze 84 umläuft
bzw. sich um einen bestimmten Winkel hin- und herdreht.
-
In bezug auf F i g. 4 sei darauf hingewiesen, daß die Anzahl der Zähne
an den Segmenten 96 kleiner ist als die Anzahl der Zähne der diese Segmente umfassenden
Zahnkränze. Wie gezeigt, ist die Nockenwalze 84 mehr oder weniger elliptisch ausgeführt,
d. h., sie hat zwei Erhöhungen, die den Eingriff der Segmentzähne mit den Zähnen
der Zahnkränze auf diametral gegenüberliegenden Seiten bewirken, wobei die Nockenteile
zwischen den Erhöhungen ermöglichen, daß die Segmentzähne sich von den Zahnkränzen
abheben. Wenn die Nockenwalze 84 rotiert, erhalten die Segmente 96 über das Rollenlager
88 alle eine kreisförmige Bewegung von einer etwas geringeren Drehgeschwindigkeit
als die der Nockenwalze. Entsprechend der verschiedenen Anzahl von Zähnen zwischen
den Zahnkränzen und den entsprechenden Segmentabschnitten erfolgt eine langsame
Drehung des Zahnkranzes 12 relativ zu den festen Zahnkränzen 14 und 16, während
die Nockenwalze mit einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit umläuft. Das Übersetzungsverhältnis
ergibt sich aus der Anzahl der Zähne in den Zahnkränzen und in den Segmenten.
-
Die Anordnung kann als Mehrfachausgleichsplanetengetriebe betrachtet
werden, bei dem die Planetenzahnräder sehr groß in bezug auf ihre umgehenden Zahnkränze
sind und bei der die Planetenzahnräder, wenn sie ovale Form besitzen, zwei Eingriffsstellen
mit den Zahnkränzen aufweisen. Dieses System ermöglicht eine Drehbalancierung der
Last, wobei die umfassenden Glieder einem Drehzyklus unterworfen werden, so daß
Wirkung und Gegenwirkung vervollständigt werden. Weiterhin ist ersichtlich, daß
bei der Ausführung der kreisförmigen Bewegung der Segmente diese als balancierte
lasttragende Waagebalken wirken, die an ihren Enden durch die starren Zahnkränze93
gestützt werden und die eine Bewegung des zentral angeordneten Zahnkranzes 12 bewirken.
Die Balancierung der das Drehmoment erzeugenden Kräfte ermöglicht dabei, daß das
System mit größtem Leistungsfaktor und einem Minimum an Störanfälligkeit arbeitet.
-
Die Form der Nockenwalze 84, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist,
sieht obere und untere bogenförmige Teile vor, die den oberen und unteren aktiven
Segmenten eine wirksame Umfangsteilung aufzwingen, um das Übersetzungsverhältnis
hochzuhalten. Die Seiten der Nockenwalze 84 bilden Bögen von wesentlich größerem
Radius, so daß die Zähne auf den entsprechenden Segmenten außer Eingriff mit den
Zähnen auf den Zahnkränzen stehen und die Zähne der Segmente an den Zähnen des Zahnkranzes
vorbeilaufen können, wenn die Segmente sich in Kreisform bewegen.
-
Die Anordnung gemäß der Erfindung, die von der Zähnezahl in den Zahnkränzen
und Segmenten abhängt, läßt Übersetzungsverhältnisse von 100: 1 bis 800:1 erzielen.
Beispielsweise würde eine Anordnung, bei der die Zahnkränze 101 und 90 Zähne besitzen
und bei der elf Segmente vorgesehen sind, wobei die Segmente jeweils acht Zähne
besitzen; die im Eingriff mit einem Zahnkranz stehen, und neun Zähne, die im Eingriff
mit den anderen Zahnkränzen stehen, ein Verhältnis von 404 Umdrehungen der Nockenwalze
84 auf eine volle Umdrehung des angetriebenen Zahnkranzes 12 ergeben.
-
Es gibt zwei Möglichkeiten, die Segmente auszubilden. Alle Segmente
können gleich ausgeführt werden, jedes hat dann eine ganze Zahl von Zähnen, die
im Eingriff mit dem Zahnkranz 12 stehen, und eine ganze Anzahl von Zähnen,
die im Eingriff mit den Zahnkränzen 14,16 stehen, wobei diese beiden ganzen Zahlen
die gleiche Länge einnehmen. Hierbei wird das Verhältnis des Systems durch die Anzahl
von Zähnen 98 und 100 in jedem .Segment in Verbindung mit der Anzahl
von Zähnen des Zahnkranzes bestimmt.
-
Andererseits können die aufeinanderfolgenden Segmente in Reihen von
zweien oder mehreren vorgesehen werden,, wobei die Differenz von einem Zahn zwischen
den beiden Reihen von Zähnen für jede Anordnung vorgesehen ist. Wird beispielsweise
eine Doppelsegmentanordnung gewählt, so unterscheidet sich die gesamte Anzahl von
Zähnen 98 für zwei Segmente um einen Zahn von der gesamten Anzahl der Zähne 100
für beide Segmente. Dies ermöglicht ein höheres Übersetzungsverhältnis der Anordnung.
Als Beispiel sei angenommen, daß zwölf Segmente in dem Getriebe in Viereranordnung
zu je dreien angeordnet sind. Jede Anordnung kann dreißig Zähne 98 und einunddreißig
Zähne 100 aufweisen. Die Zahnkränze können hundertzweiundzwanzig und hundertsechsundzwanzig
Zähne aufweisen. Dann würde sich ein Übersetzungsverhältnis von 1891: 1 ergeben.
-
Die Nockenwalze 84 kann mit mehr als zwei Erhöhungen versehen werden,
so daß eine entsprechend größere Anzahl von Zahnberührungsstellen zur Teilung und
Übertragung der Last auf eine größere Zahl von Zähnen möglich ist. Andererseits
kann die Nockenwalze, wie in F i g. 7 gezeigt, mit Bögen und Tangenten versehen
werden, wobei die Bögen so gewählt werden, daß sie die verzahnten Segmente zu bestimmten
Zeiten mit den Zahnkränzen in Eingriff bringen. In einigen Fällen kann die Nockenwalze
durch entgegengesetzt angeordnete Rollen ersetzt werden, über die verbundene Segmente
laufen. In einer derartigen Anordnung können die Rollenlager 88 entfallen.
-
Die Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses einer Segmentanordnung
dieser Art entspricht der Bestimmung des Übersetzungsverhältnisses eines zusammengesetzten
Ausgleichsplanetengetriebes. Beispielsweise ist die folgende Formel anwendbar:
In dieser Formel bedeutetA die Anzahl der Zähne eines Zahnrades, B die Anzahl der
Zähne eines Segmentes oder einer Segmentanordnung, die mit A im Eingriff steht,
C die Anzahl der Zähne des anderen Zahnkranzes und D die Anzahl der Zähne eines
Segmentes oder einer Segmentanordnung, die mit C im Eingriff steht.
-
Die Segmente 96 sind Seite an Seite beweglich miteinander verbunden.
Zu diesem Zweck sind z. B. Federbänder 104 (F i g. 1) vorgesehen, die die Segmente
96 umfassen und die in Nuten in der äußeren Fläche der Segmente zwischen den Zähnen
98 und
100 eingelegt sind. Bei einer anderen Ausführungsform sind
die Segmente in Form einer Kette miteinander verbunden. Eine solche Kettenanordnung
ist in F i g. 5 gezeigt. Wenn die Segmente als Kette ausgebildet sind, werden die
Gelenkverbindungen in einer solchen Weise ausgelegt, daß, wenn die Segmente mit
den zugeordneten Zahnkränzen im Eingriff stehen, die Umfangsteilung zwischen dem
letzten Zahn des einen Segmentes und dem ersten Zahn des nächsten Segmentes gleich
ist der Umfangsteilung anderer Zähne der Segmente. Zu diesem Zweck müssen die Gelenke
in der Nähe der äußeren oder inneren Bahn der Segmente oder zwischen der Höhe der
Segmente liegen.
-
Das in F i g. 1 gezeigte Übersetzungsgetriebe 70 ist wählbar und kann
zeitweise benutzt werden, um eine höhere Gesamtübersetzung zu ermöglichen als mit
einer »Segmentübersetzurig« allein möglich ist. Wenn das Übersetzungsgetriebe 70
nicht verwendet wird, kann die Nockenwelle 84 direkt durch die Antriebswelle 64
angetrieben werden.
-
Die Getriebeanordnung nach den F i g. 5 und 6 zeigt einen starren
Zahnkranz 160 und einen beweglichen Zahnkranz 162, die relativ zueinander über ein
Lager 164 drehbar sind. Die Zahnkränze 160
und 162 weisen entsprechende
Fortsätze 166 und 168 auf, über die sie an Trag- und Transportelementen befestigt
sind.
-
Der Zahnkranz 160 ist mit einem Abschluß 170
und einer
Innenverzahnung 172 versehen, während der Zahnkranz 162 mit einem .Abschluß 174
und einer Innenverzahnung 176 ausgestattet ist.
-
Eine Antriebswelle 178 tritt in der Mitte des Zahnkranzes 160
ein, wird von diesem aufgenommen und trägt ein Antriebszahnrad 180, das mit den
Planetenzahnrädern 182, die an einem Planetenradträger 184 befestigt sind, im Eingriff
steht. Der Planetenradträger 184 ist wiederum über Lager mit der Antriebswelle 178
verbunden. Ein Zahnkranz 186 umfaßt die Planetenzahnräder 182 und steht im Eingriff
mit ihnen. Dieser Zahnkranz 186 trägt auf der äußeren Fläche einen Nocken mit mehreren
Vorsprüngen. Auf jeder Seite des Zahnkranzes 186 sind ähnliche Nocken
188 befestigt, beispielsweise durch Dübel 190.
Die Lagerrollen 192
umfassen den Nocken 188 und werden wiederum durch eine federnde Stahlhülse 194 umfaßt,
die die Rollen gegen den Nocken drückt. Um den äußeren Umfang der Hülse 194 herum
sind in Form einer Kette verbundene Segmente angeordnet, wobei diese Segmente entweder
starr in axialer Richtung oder, wie in F i g. 6 angedeutet, lamelliert sind. Die
äußeren Ränder der Segmente, die in einer Ebene mit den Zähnen 176 liegen, sind
bei 198 verzahnt und stehen mit den Zähnen 176 in Verbindung, während die äußeren
Ränder der Segmente, die in der gleichen Ebene wie die Zähne 172 liegen, bei 200
verzahnt sind und mit den Zähnen 172 im Eingriff stehen. Die Anzahl der Zähne 172
und 176 ist verschieden, die Anzahl der Zähne 198 und 200 an den Segmenten unterscheidet
sich ebenfalls entsprechend den obenerwähnten Bedingungen, so daß ein großes Übersetzungsverhältnis
zwischen den Nocken 188 und dem bewegbaren Zahnkranz 162 erzielt wird.
-
Bei der in F ig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsform treten hauptsächliche
Belastungen in Form von Drehkräften auf.
-
In Verbindung mit den Getrieben und den F i g. 1 bis 6 kann eine Anordnung
der Einzelteile entworfen werden, die es ermöglicht, die federnden Laufringhülsen
89 und 194 wegzulassen. Eine Abänderung der Teile ist ebenfalls möglich, wenn spiralförmige
Zahnräder und Segmente verwendet und die Elemente so ausgebildet werden, daß sie
in ihrer Länge einheitlich gehalten werden, d. h. dieselbe Anzahl von Zähnen im
mittleren Teil wie in den Endteilen besitzen. Durch die Wahl einer optimalen Zahnform
und wirksamer Teilkreisdurchmesser läßt sich ein gleichzeitiger Eingriff verschiedener
aufeinanderfolgender Zähne zwischen den Segmenten und den Zahnkränzen ermöglichen,
um die Belastungsfähigkeit zu vergrößern, wobei eine Verbindung und Trennung der
Zähne ohne abwechselnde Beeinflussung möglich ist.