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Reversibles Sahnraduntersetzungsgetriebe Die Erfindung betrifft ein
reversibles Zahnraduntersetzungsgetriebe mit hohem Untersetzungsverhältnis mit besonderer,
jedoch nicht ausschließlicher Eignung für den Antrieb eines urmkfanesO Es ist bekannt,
daß auf zahlreichen-technischen Gebieten ein lebhaftes Bedürfnis nach einer Drehmomentübertragung
mit einem Untersetzungsverhältnis besteht, das vom 1:1 wesentlich abweicht.
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Die Schwierigkeit läßt sich leicht lösen, wenn man auf elektrische
Einrichtungen zurückgreift, jedoch sind solche äußerst teuer. Im Maschinenbau wird
häufig ein Schnekkengetriebe verwendet, bei dem auf jede Umdrehung der Schnecke
das zugeordnete Schnikenrad um eine Zahnteilung weiter bewegt wird, so daß das Untersetzungsverhältnis
immerhin
recht grod sein kann.
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Wegen der hohen Reibung ist jedoch diese Art der Drehmomentübertragung
nicht umkehrbar, und obwohl dies in gewissen Fällen vorteilhaft sein kann, beispielsweise
um ein ungehegmtes Absenken der last oder die unbeabsichtigte Verschiebung oder
Tätigkeit eines Mechanismus zu verhindern, ist es in anderen Fällen sehr hinderlich,
weil entweder aus technischen Gründen oder zur Erfüllung behördlicher Vorschriften
ein reversibler Mechanismus gebraucht wird.
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Dies ist beispielsweise bei Turmkränen der Fall, bei denen laut behördlicher
Vorschriften der Antrieb freigegeben werden muß, wenn die Trane außer Betrieb sind,
so daß der Kranausleger sich unter dem Windeinfluß selbsttätig derart ausriehten
kann, daß er dem Wind den geringaten W1¢erstand entgegensetzt, der dem Miniinuin
an Spannungen in den Konstruktionsteilen des Kranes entspricht.
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Um dieses Problem mçchanisch zu lösen, wird bisher in der Technik
häufig ein Mechanismus mit Planetengetrieben und mehreren Wellen verwendet,.um die
die Zahnräder umlaufen, jedoch beträgt das erreichbare Untersetzungsgetriebe selbst
in diesem Falle nur ca. 1:10, und es werden daher zwei oder drei solcher Planetengetriebe
gebraucht, wodurch die Konstruktion sehr kompliziert und die Wartung außerdem erheblich
verteuart wird.
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Will man sich jedoch eines Systems von Planetengetrieben
nicht
bedienen, kann man mit den in der Technik bekannten Mitteln lediglich unter Verwendung
üblicher Getriebe Übersetzungsverhältnisse bis zu 1:6 und unter Verwendung von Zahnrädern
mit korrigiertem Profil tbersetzungaverhältnisse bis 1:7 erreichen.
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Im Hinblick auf diesen Stand der Technik stellt die Erfindung einen
erheblichen technischen Fortschritt dar, denn sie ermöglicht die Erzielung eines
sehr hohen tJntersetzungsverhältnisses, selbst über 100:1 unter Verwendung von leiglich
zwei Wellen und zwei Zahnrädern, von denen das eine ortsfest und/ß ere beweglich
ist.
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Außerdem ist die Konstruktion gemäß der Erfindung selbst vom Standpunkt
der Materialbeanspruchung äußerst vorteilhaft, denn die Zahl der in jedem Augenblick
im Betrieb im Eingriff befindlichen Zähne der beiden Versahnungen ist sehr hoch
und beträgt häufig sieben und in manchen Fällen sogar zwölf.
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Das Untersetrungsgetriebe gemäß der Erfindung weist im wesentlichen
folgende Teile auf: Eine Eingangswelle mit einem in bezug auf die Wellenachse exzentrisch
angeordneten Ende, das ein freidrehbares Stirnrad mit ÅuBenverzahnung trägt, mit
dem ein ortsfester, innenverzahnter Zahnkranz im Eingriff steht, der den gleichen
Modul und eine Zähne zahl hat, die nur um einen oder um ganz wenige Zähne höher
ist als die des ersten Zahnrades, das mittels eines Satzes vorspringender Zapfen,
die in entsprechende Aussparungen einer Zwischenscheibe eingreifen, mit - einem
mit der angetriebenen Welle drehfest verbundenen
Flansch gekoppelt
ist.
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Wie bereits erwähnt, ist die Anordnung fUr reversiblen Betrieb geeignet,
und das Drehmoment kann entweder von der ersten auf die zweite Welle oder umgekehrt
übertragen werden, d.h.r mit äußerst hohem Untersettungs- bzw. tbersetsungsverhältnis
der Winkelgeschwindigkeit.
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Ein wesentliches besonderes Merkmal des Untersetaungegetriebes gemäß
der Erfindung besteht darin, daß das erste Zahnrad und der Zahnkranz um einen äußerst
geringen Unterschied abweichende Zähne zahlen haben. Je kleiner dieser Unterschied
ist, umso größer ist das Untersetzuhgeverhältnis, wie dies im folgenden nochelngehend
beschrieben wird.
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Gemäß den derzeitigen Erkenntnissen der Technik kann ein innenverzahnter
Zahnkranz mit einem außenverzahnten Zahnrad von gleichem Modul nur dann wirksam
kämmen, wenn die Differenz zwischen den Zähne zahlen mindestens 12 beträgt. Gemäß
der ErfindunOedoch ist es möglich, dies Drehmomentübertragung zwischen zwei Wellen
zu schaffen, die selbst dann zufriedenstellend arbeitet, wenn die Differenz der
Zähne zahlen der beiden Zahnräder nur 1 beträgt.
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Dies wird dadurch ermöglicht, daß erstens den Zähnen eine im folgenden
noch eingehend zu beschreibende Zahn form gegeben wird und daß die Innenachse des
Zahnrades während des Eingriffes verschoben wird, so daß die Lücke zwischen den
Zähnen des äußeren Zahnkranzes in
bester Weise ausgenutzt werden
kann und daß verhindert wird, daß der dem Eingriffbereich gegenüberliegende Abschnitt
des innenverzahnten ZahnkranzEs mit anderen Zähnen zur Berührung kommt und verklemmt
wird.
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Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Tnrmkran zur Veranschaulichung des
bevorzugten Anwendungsgebietes der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt schematisch im Schnitt entlang der Linie B-X in Fig.
3 eine Antriebseinrichtung unter Verwenw dung eines Untersettungsgetriebes gemäß
der Erfindung als Ausführungsbeispiel.
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Pig. 3 zeigt einen Horizontalschnitt entlang der Linie A-A in Fig.
1.
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Fig. 4 zeigt schematisch die in der erforderlichen Weise für die Verwirklichung
des Erfindungsgedankens abgewandelte Zahnform im Vergleich zum Umriß eines normalen
Getriebe zahnes.
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Fig. 5 zeigt ausschnittsweise in Aufsicht das Zahnrad und den mit
ihm im Eingriff befindlichen Zahnkranz.
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Wie in Fig. 1 verahschaulicht, soll ein drehbarer Bauteil 2 gedreht
werden, der im BeiSpielsfall der Drehkranz sein soll, der den Auslegergrm 3 eines
Turmkranes, mittels eines Motors 1 antreibbar,tragen soll.
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Die Schwierigkeit des Problemes besteht darin, daX die Drehbewegung
des Bauteiles 2 sehr langsam erfolgen muß - die Drehzahl liegt beispielsweise in
der Größenordnung von 1 U/min - während die Drehzahl der Motorwelle 1 bedeutend
höher ist - sie beträgt beispielsweise um die 1450 U/min.
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In der Praxis treibt der Motor 1 über eine Gruppe von Keilriemen und
Keilriemenscheiben eine Eingangswelle 4 (Fig. 2) an, von der das Drehmoment mittels
des Untersetzungsgetriebes gemäß der Erfindung auf die Ausgangswelle 5 übertragen
wird, die ihrerseits drehfest mit einem Ritzel 6 verbunden ist, das mit einem nicht
dargestellten äußeren Zahnkranz im Eingriff steht, der mit dem umlaufenden Bauteil
2 einstückig verbunden ist.
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Mit Hilfe dieses Riementriebes kann die Motordrehzahl mit einem Untersetzungsverhältnis
von ca. 1:3 untersetzt werden. Eine Untersetzungvon ca. 1:6 bietet der Eingriff
zwischen dem Ritzel 6 und dem Zahnkranz; darüberhinaus ist jedoch eine weitere Untersetzung
im Verhältnis von 1:70 erforderlich, und diese wird mittels des Unterseteungsgetriebes
gemäß der Erfindung erzielt.
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Dieses Untersetzungsgetriebe weist ein Gehause~7 auf, in das das obere
Ende der Eingangswelle 4 hinein vorspringt, das einen exzentrischen Fortsatz 8 aufweist,
auf dem ein außenverzahntes Zahnrad 9 frei drehbar monc tiert ist, das in der gleichen
Ebene wie ein Zahnkranz 10 liegt, dessen Modul der gleiche wie der des Zahnrades
9
ist und der in bezug auf den Rahmen oder das Gehäuse 7-der Vorrichtung
fest montiert ist.
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Die Zähnezahl des ortsfesten Zahnkranzes 10 ist um weniges (beispielsweise
um einen einzigen Zahn) größer als die des Zahnrades 9.
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Das Zahnrad 9 trägt nach oben vorspringende Zapfen, die bei 11 angedeutet
sind und die in Gleitklötze 12 eingreifen, die innerhalb geeigneterSilitzeeiner
Scheibe 13 aufgenornmen sind, die mit dem Zahnrad 9 in Berührung steht und mit weiteren
Schlitzen ausgestattet ist, in deneneitere Gleitklötze 14 aufgenommen sind, denen
anlehre Zapfen 15 zugeordnet sind, die von dem Flansch 16 einer an der Welle 6 montierten
Hülse vorspringen.
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Fig. 4 zeigt den Vergleich zwischen dem Zahnprofil eines gemäß der
erfindung abgewandelten Zahneslmit dem Protil t8 eines üblichen Zahnes.
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Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung ist folgende: Wie in Fig. 5 gezeigt,
befindet sich der ortsfeste Mittelpunkt 0 des feststehenden Zahnkranzes 1O in einem
Abstand OE voidem beweglichen Mittelpunkt E des Zahnrades 9, der der Exzentrizität
des Endes 8 der Welle4 gleich ist.
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Wie ersichtlich, folgt der Mittelpunkt E des Zahnrades 9 der Drehung
der Welle 4, jedoch ist das Zahnrad 9, das beispielsweise auf Kugellagern gelagert
ist, in bezug auf
den Mittelpunkt E entsprechend den darauf wirkenden
Kräften frei drehbar. In der in Fig. 5 dargestellten Stellung steht das Zahnrad
9 links im Eingriff mit dem feststehenden Zahnkranz 10, während an der gegenüberliegenden
(nicht dargestellten rechten) Seite die Außenverzahnung des Zahnrades 9 und die
Innenverzahnung des Zahnkranzes 10 sich außer Eingriff befinden, so daß das Zahnrad
9 sich außer Berührung mit der Verzahnung des Zahnkranzes an dieser Seite drehen
kann.
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Die Verlängerung von OE führt zum Punkt P zwischen den Teilkreieen
der beiden in Eingriff befindlichen Verzahnungen, und dieser Punkt bestimmt denjenigen
Zahn des ortsfesten Zahnkranzes 10, der sich genau in einer entsprechenden BAcke
der Verzahnung des Zahnrad es 9 befindet.
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Wie die Figur deutlich seigt, stehen zugleich zahlreiche weitere Zähne
beiderseits des Punktes P in Eingriff.
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Dies gewährleistet eine weitgehende Verteilung der gräfte und vermindert
höher die Beanspruchung der einzelnen Zähne. Wenn nun bei Drehung der Welle 4 der
Punkt B sich vor den nächsten Zahn des Zahnkranzes 10 bewegt befindet sich dieser
Zahn voll in Eingriff, d.h. liegt genau mittig in der folgenden Bücke der Verzahnung
des Zahnrades 9, jedoch muß in dieser Phase das Zahnrad 9 sich um seinen Mittelpunkt
E um ein geringfttgiges Maß drehen. In Wirklichkeit bewegt sich also der Radius
OP in Richtung gegen den nächsten Zahn des Zahnkranzes mit N Zähnen um den N-ten
Teil einer vollen Umdrehung; und da die Zähnezahl des Zahnrades 9 nur N-K beträgt,
muß der Vektor OP sich von der gegebenen- Nittellinie einer
Zahnlücke
zur.Mittellinie der nächsten Zahnlücke um den (N-E)-ten Teil einer Umdrehung drehen,
und dies bedeutet eine Drehung, die größer ist als die erstere; die Differenz 1
1 K m 7E N-K N(N-K) gibt eine Drehung-in der entgegengesetzten Richtung an, die
das Zahnrad 9 vollführt hat,-während der Eingriff von Punkt P zum nächsten Zahn
des Zahnkranzes 10 wandert. Dieser Vorgang spielt sich N-mal bei jeder Umdrehung
der Welle 4 ab, so daß die Gesamtdrehung des -K Rades 9 beträgt R;Z und dieser Bruch
gibt das Untersetzungsverhältnis an.
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Als Zahlenbeispiel sei angenommen, daß die Zähnezahl des ortsfesten
Zahnkranzes 102 und die des beweglichen Zahnrades 101 beträgt; bei jeder Umdrehung
der Welle 4 vollführt die Welle 5 1/101 einer vollen Umdrehung.
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Wenn anstatt dessen die iiffrenz zwischen den Zähnezshlen-des ortsfesten
Zahnkranzes und des beweglichen Zahnrades 2 beträgt, vollführt bei jeder Umdrehung
der Welle 4 die Welle 5 2/100 = 1/50 einer vollen Umdrehung. Obwohl dieses Untersetzungsverhältnis
wesentlich~ geringer ist als das erstere, übersteigt es dennoch bei weitem die mit
in der Technik bekannten Mitteln erreichbaren Untersetzungsverhältnisse.
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In analoger weise kann die Zähnezahl des beweglichen Zahnrades um
3 oder 4 oder such 5 geringer als die des ortsfesten Zahnkranzes gewählt werden,
und dann werden Untersatzungs
-verhältnisse von 3/99, 4/98 bzw.
5/97 erzielt.
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Da sich die Achse des Zahnrades 9 kontinuierlich in bezug auf die
Achse der Welle 4 und der Welle 5, auf die das Drehmoment übertragen wird, verlagert,
ist es erforderlich, eine Oldham-Kupplung, bestehend aus der Scheibe 13 mit Nuten
oder Schlitzen und Zapfen 12, 15 mit entsprech-nden Gleitklötzen vorzusehen. Aus
der obigen Beschreibung der Ausbildung gemäß der Erfindung ist ersichtlich, daß
das Getriebe hinsichtlich der Drehrichtung reversibel ist, da alle Teile symmeldsch
sind, und daß durch Umkehren der Drehrichtung des Motors 1 die Drehrichtung der
Welle 5 ebeWalls umgekehrt wird; außerdem ist jedoch das Getriebe auch hinsichtlich
der Drehmomentübertragung reversibel, d.h. die Ausgangswelle 5 kann zur Antriebsweile
werden. Wenn diese das Zahnrad 9 drehend antreibt, während dieses sich mit dem Zahnkranz
10 in Eingriff befindet, wird durch den Eingriff der beiden Verzahnungen der Punkt
E, der Mittelpunkt des Zahnrades 9, verschoben und auf diese Weise die Welle 4 in
Drehung versetzt.
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Es bleibt zu erläutern, wie es möglich ist, den Eingriff zwischen
einem feststehenden Zahnkranz und einem beweglichen Zahnrad herzustellen, dessen
Zähne zahl nur um weniges geringer ist, wie dies oben beschrieben wurde.
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Mit Zähnen von üblicher Zahnform ist dies wegen der zu erwartenden
Unterschneidung nicht möglich, und um einen Betrieb zu gestatten, muß bisher der
Unterschied zwischen den Zähnezahlen mindestens 12 betragen.
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Um dieses Problem zu lösen, wird zunächst gemäß der Erfindung
die
Zahnhöhe weitgehend vermindert, d.h. die Höhe, um die der Zahn huber den Teilkreis
vorspringt, wird anstatt, wie üblich, gleich dem Modul gemäß der Erfindung niedriger,
ca. gleich dem halben Modul oder noch geringer gewählt. Außerdem wird die Zahnbreite,
gemessen am Teilkreis, um ein geringfügiges Maß vermindert, und als Profil wird
eine Kreiaevolvente mit einem Eingriff winkel von ca. 30 bis 40° anstatt, wie üblich,
von 200 gewählt. Diese verschiedenen Merkmale werden weitgehend begleitet von der
Eingriffebewegung des Zahnrades 9, das von dem exzentrischen Ende 8 der Welle 4
angetrieben ist.
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Die beechriebene Ausbildung wurde mit besten Ergebnissen erprobt.
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Obwohl die Erfindung oben anhand der Anwendung bei dem Orehantrieb
eines Turmdrehkranes beschrieben wurde, sind natürlich zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkei
ten gegeben, wenn eine Übersetzung mit einem rohr hohen tlbersetzungsverhältnis
erforderlich ist.
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Auch können konstruktive Einzelheiten des Getriebes ohne Abweichen
vou Erfindungsgedanken in mannigfaltiger Weise abgewandelt werden.
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-Patentansprüche-