DE19745177A1 - Getriebestufe - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Getriebestufe gemäß dem Oberbe
griff des Anspruchs 1.
Getriebe die als Übersetzungs- und Untersetzungsgetriebe wir
ken, sind aus einer oder mehreren Getriebestufen aufgebaut.
Vorzugsweise sind die Getriebe als Zahnradgetriebe ausgebil
det, bei welchen in jeder Getriebestufe ein erstes antreiben
des Zahnrad in ein zweites angetriebenes Zahnrad eingreift.
Zahnradgetriebe sind wegen des Zahneingriffs einem Verschleiß
unterworfen.
Werden Zahnradgetriebe als Untersetzungsgetriebe verwendet, so
weist das angetriebene zweite Rad einen dem Untersetzungs
verhältnis entsprechend größeren Durchmesser auf als das an
treibende erste Rad. Ist ein höheres Untersetzungsverhältnis
erwünscht, so kann dies die Abmessungen der Getriebestufe
beträchtlich vergrößern.
Beispielsweise werden bei absoluten Drehwinkelmeßsystemen
mechanische Untersetzungsgetriebe eingesetzt, um den Drehwin
kel über mehrere Wellenumdrehungen absolut zu erfassen. Die
Drehwinkelmeßsysteme sind in der Regel an elektrische Antriebe
gekoppelt die sich entsprechend schnell drehen, wobei Drehzah
len bis zu 12000 Umdrehungen/Minute vorkommen. Da die Lagerun
gen für solche hohen Drehzahlen aufwendig sind, ist für die
erste Getriebestufe ein hohes Untersetzungsverhältnis er
wünscht, damit für das angetriebene zweite Rad eine weniger
aufwendige Lagerung verwendet werden kann. Wird bei solchen
Drehwinkelmeßsystemen eine Hohlwellenanordnung verwendet, so
ergibt sich für das auf der Hohlwelle angeordnete antreibende
erste Rad der ersten Getriebestufe bereits ein beträchtlicher
Außendurchmesser. Dies ergibt in Verbindung mit dem durch das
Untersetzungsverhältnis bedingten Durchmesser des zweiten
Rades einen sehr großen radialen Platzbedarf für die erste
Getriebestufe. Außerdem ergibt sich durch die Dimensionierung
des zweiten angetriebenen Rades eine nachteilige Massenträg
heit des angetriebenen Rades.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Getriebestufe
zur Verfügung zu stellen, die geringe Abmessungen und ein
geringes Massenträgheitsmoment ermöglicht und weitgehend ver
schleißfrei ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Getrie
bestufe mit den Merkmalen des Anspruchs l.
Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine Getrie
bestufe in der Weise auszubilden, daß das erste Rad das zweite
Rad über eine magnetische Reduktanzkopplung antreibt. Hierzu
weist eines der Räder einen umlaufenden Profilsteg aus einem
ferromagnetischen oder permanentmagnetischen Material auf,
während das andere Rad mehrgängige Profilstege aus einem per
manentmagnetischen Material aufweist. Die Räder sind so an
geordnet, daß sich die Profilstege mit geringem Luftspalt
gegenüberstehen. Wird das antreibende erste Rad gedreht, so
dreht sich das zweite Rad in der Weise mit, daß der Luftspalt
zwischen den Profilstegen und damit die magnetische Energie im
Luftspalt möglichst klein bleibt.
Das Verhältnis der Gewindegangzahlen der beiden Räder bestimmt
dabei das Untersetzungs- bzw. Übersetzungsverhältnis. Weist
beispielsweise das antreibende erste Rad einen eingängigen
Profilsteg auf und das zweite angetriebene Rad mehrgängige
Profilstege, die sich über jeweils zumindest einen Bruchteil
des Umfangs erstrecken, so ergibt sich ein Untersetzungsver
hältnis welches der Anzahl der Gewindegänge der Profilstege
des zweiten Rades entspricht.
Da die Räder nur über die magnetische Reduktanz gekoppelt sind
und sich nicht berühren, wirken die Getrieberäder verschleiß
frei zusammen.
Das Untersetzungs- bzw. Übersetzungsverhältnis wird durch die
Zahl der Gewindegänge bestimmt und ist konstruktiv nicht von
dem Radius der Räder abhängig. Es können daher auch Unterset
zungs-Getriebestufen mit geringen radialen Abmessungen reali
siert werden. Insbesondere kann auch bei einer Untersetzungs-
Getriebestufe das zweite Rad mit wesentlich kleinerem Durch
messer als das erste Rad ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich
die Möglichkeit auch bei einer Hohlwellenanordnung z. B. eines
Drehwinkelmeßsystems mit einem auf der Hohlwelle angeordneten
antreibenden Rad der ersten Getriebestufe ein hohes Unterset
zungsverhältnis mit geringen radialen Abmessungen des ange
triebenen zweiten Rades zu realisieren.
Eine kostengünstige Herstellung ergibt sich dadurch, daß das
Rad mit dem größeren Durchmesser mit dem ferromagnetischen
Profilsteg versehen wird, während das kleinere der Räder mit
den permanentmagnetischen Profilstegen ausgebildet wird. Da
durch ist es möglich, das kleinere Rad mit seinen Profilstegen
einstückig aus permanentmagnetischem Material herzustellen.
Die magnetische Reduktanzkopplung ist nur bis zu einem be
stimmten Drehmoment belastbar. Wird dieses Drehmoment über
schritten, so kommt das angetriebene zweite Rad "außer Tritt".
Wird das angetriebene zweite Rad mit kleinem Durchmesser aus
gebildet, was erfindungsgemäß auch bei einem Untersetzungs
getriebe möglich ist, so ist die Massenträgheit des zweiten
Rades gering und eine Überschreitung des Grenzdrehmoments
tritt in der Regel nicht auf. Um zu vermeiden, daß auch bei
großen Drehbeschleunigungen das angetriebene zweite Rad außer
Tritt kommt, ist in einer bevorzugten Ausführung zwischen dem
Gewindegang des ferromagnetischen Profilsteges ein weiterer
Gewindegang eines Profilsteges aus einem nichtmagnetischen
Material angeordnet. Die Profilhöhe des nichtmagnetischen
Profilsteges ist dabei um zumindest die Breite des Luftspaltes
zwischen den magnetisch zusammenwirkenden Profilstegen größer
als die Profilhöhe des ferromagnetischen Profilsteges. Sollte
bei großen Drehbeschleunigungen das angetriebene zweite Rad
den magnetischen Eingriff mit dem antreibenden Rad verlieren,
so kommt der nichtmagnetische Profilsteg aufgrund seiner grö
ßeren Profilhöhe mechanisch mit dem permanentmagnetischen
Profilsteg des angetriebenen Rades in Eingriff und nimmt die
ses reibschlüssig mit.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die Getriebestufe sowohl
als Untersetzungsgetriebe als auch als Übersetzungsgetriebe
ausgebildet sein kann. Weiter ist es ersichtlich, daß das
antreibende Rad oder das angetriebene Rad permanentmagnetisch
ausgebildet sein können, während das jeweils andere Rad den
ferromagnetischen Profilsteg aufweist. Weiter ist ersichtlich,
daß beide Räder jeweils ein- oder mehrgängige Profilstege
aufweisen können. Das Untersetzungs- bzw. Übersetzungsverhält
nis ergibt sich aus dem Verhältnis der Anzahl der Gewindegän
ge. Schließlich ist ersichtlich, daß die Räder mit ihrem Au
ßenumfang in Eingriff stehen können und ebenso eines der Räder
als Hohlrad ausgebildet ist, wobei das andere Rad mit dem
Innenumfang des Hohlrades in Eingriff kommt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die ein
zige Figur zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ge
triebestufe.
Ein erstes antreibendes Rad 1 ist als Hohlrad ausgebildet,
welches. z. B. auf die Eingangshohlwelle eines absoluten Dreh
winkelmeßsystems aufgesetzt werden kann oder als Teil dieser
Eingangshohlwelle ausgebildet ist.
An dem zylindrischen Außenumfang des Rades 1 ist ein Profil
steg 4 aus einem ferromagnetischen Material angeordnet. Der
Profilsteg 4 läuft als eingängiges Gewinde um das erste Rad 1.
Zwischen dem Gewindegang des ferromagnetischen Profilsteges 4
ist ein zusätzlicher Profilsteg 5 angeordnet, der aus einem
nichtmagnetischen Material, z. B. aus Aluminium besteht. Der
nichtmagnetische Profilsteg 5 und der ferromagnetische Profil
steg 4 sind somit nach Art eines zweigängigen Gewindes an
geordnet.
Ein zweites Rad 2 ist achsparallel zu dem ersten Rad 1 an
dessen Außenumfang angeordnet. Die axiale Abmessung des zwei
ten Rades 2 entspricht der Steigung des Profilsteges 4 des
ersten Rades 1. Das zweite Rad 2 weist an seiner Mantelfläche
vier Profilstege 3 auf, die nach Art eines viergängigen Ge
windes angeordnet sind. Jeder der Profilstege verläuft über
ein Viertel des Umfangs des Rades 2, wobei das obere Ende des
einen Profilsteges 3 in der Winkelstellung jeweils mit dem
unteren Ende des vorangehenden Profilsteges 3 überlappt. Das
zweite Rad 2 mit seinen Profilstegen 3 ist einstückig aus
einem permanentmagnetischen Material hergestellt.
Die Räder 1 und 2 sind in Bezug auf ihren Achsabstand, ihren
Durchmesser und die Profilhöhe so dimensioniert, daß zwischen
dem Profilrücken des ferromagnetischen Profilsteges 4 des
Rades 1 und dem Profilrücken der permanentmagnetischen Profil
stege 3 des Rades 2 ein minimaler Luftspalt bleibt. Der nicht
magnetische Profilsteg 5 weist eine Profilhöhe auf, die um die
Breite dieses Luftspaltes größer ist als die Profilhöhe des
ferromagnetischen Profilsteges 4.
Aufgrund der magnetischen Reluktanz stellt sich das zweite Rad
2 in seiner Winkelstellung so ein, daß der Luftspalt zwischen
dem permanentmagnetischen Profilsteg 3 und ferromagnetischen
Profilsteg 4 und damit die magnetische Energie in diesem Luft
spalt minimal bleibt.
In der in der Zeichnung dargestellten Position steht das obere
Ende des Gewindeganges des ferromagnetischen Profilstegs 4 dem
oberen Ende eines Gewindeganges des permanentmagnetischen
Profilsteges 3 gegenüber. Wird das erste Rad 1 z. B. in der
Richtung des Pfeiles angetrieben, so wandert aufgrund der
Schraubenlinien-Ausbildung des ferromagnetischen Profilsteges
4 der dem zweiten Rad 2 zugewandte Bereich des Profilsteges 4
in axialer Richtung nach unten. Dementsprechend richtet sich
der auf der selben Höhe liegende axiale Bereich des permanent
magnetischen Profilsteges 3 aus, um den Luftspalt minimal zu
halten. Das zweite Rad 2 dreht sich somit in entgegengesetztem
Drehsinn. Der ferromagnetische Profilsteg 4 des ersten Rades
1 weist eine Gewindesteigung auf, die der axialen Höhe des
zweiten Rades 2 entspricht. Hat sich das erste Rad 1 daher um
360° gedreht, so ist der dem zweiten Rad 2 zugewandte Bereich
des ferromagnetischen Profilstegs 4 um die axiale Höhe des
zweiten Rades 2 nach unten gewandert und das zweite Rad 2 hat
sich um den Winkel gedreht, über welchem sich der permanent
magnetische Profilsteg 3 erstreckt, d. h. in dem in der Zeich
nung dargestellten Ausführungsbeispiel um 90°. Aufgrund der
Winkelüberlappung von Anfang und Ende der permanentmagneti
schen Profilstege 3 kommt der ferromagnetische Profilsteg 4
nun mit dem oberen Ende des folgenden permanentmagnetischen
Profilstegs 3 in magnetischen Eingriff, um die Drehung des
zweiten Rades 2 um die folgenden 90° zu bewirken. Die dar
gestellte Getriebestufe weist somit ein Untersetzungsverhält
nis von 4 : 1 auf.
So lange der ferromagnetische Profilsteg 4 mit den permanent
magnetischen Profilstegen 3 in magnetischem Eingriff ist,
greift der nichtmagnetische Profilsteg 5 zwischen die perma
nentmagnetischen Profilstege 3 des zweiten Rades 2 und ist
somit wirkungslos. Sollte aufgrund einer großen Drehbeschleu
nigung des antreibenden Rades 1 die magnetische Reluktanzkraft
nicht ausreichen, um das Rad 2 mitzunehmen, so bleibt das Rad
2 hinter dem Rad 1 zurück. Dadurch kommt der nichtmagnetische
Profilsteg 5 in den Bereich des permanentmagnetischen Profil
stegs 3 und kommt aufgrund seiner größeren Profilhöhe reib
schlüssig mit diesem in Eingriff. Das angetriebene Rad 2 wird
dadurch von dem antreibenden Rad 1 über den nichtmagnetischen
Profilsteg 5 mechanisch mitgenommen.
Claims (6)
1. Getriebestufe mit einem ersten Rad und einem von dem
ersten Rad angetriebenen zweiten Rad, dadurch gekenn
zeichnet, daß eines der Räder (1) wenigstens einen in
zumindest einem Gewindegang umlaufenden Profilsteg (4)
aufweist, daß das andere Rad (2) mehrgängige Profilstege
(3) aufweist, die jeweils zumindest über einen Bruchteil
des Umfanges umlaufen, daß die Profilstege (4) eines
Rades (1) ferromagnetisch oder permanentmagnetisch und
die Profilstege (3) des anderen Rades (2) permanentmagne
tisch sind und daß die Räder (1, 2) achsparallel so an
geordnet sind, daß die Profilrücken der Profilstege (3,
4) einander mit geringem Luftspalt gegenüberstehen.
2. Getriebestufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das eine der Räder (2) mit seinen Profilstegen (3)
einstückig aus permanentmagnetischem Material besteht.
3. Getriebestufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Ausbildung als Untersetzungsgetrie
bestufe das erste Rad (1) mit größerem Durchmesser als
das zweite Rad (2) ausgebildet ist, daß das erste Rad (1)
an seinem Außenumfang einen eingängig umlaufenden Profil
steg (4) aufweist, dessen Steigung der axialen Abmessung
des zweiten Rades entspricht, und daß das zweite Rad (2)
mehrere mehrgängig angeordnete Profilstege (3) aufweist,
die sich jeweils über einen ihrer Anzahl entsprechenden
Bruchteil des Umfangs erstrecken.
4. Getriebestufe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Rad (1) als Hohlwellenrad ausgebildet ist.
5. Getriebestufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ferromagneti
schen Profilsteg (4) in Form eines zweiten Gewindeganges
ein Profilsteg (5) aus einem nichtmagnetischen Material
verläuft, wobei die Profilhöhe des nichtmagnetischen
Profilsteges (5) zumindest um die Breite des Luftspaltes
zwischen dem ferromagnetischen Profilsteg (4) und dem
permanentmagnetischen Profilsteg (3) größer ist als die
Profilhöhe des ferromagnetischen Profilsteges (4).
6. Getriebestufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Getriebestufe als erste Untersetzungsstufe eines
Multiturn-Absolutdrewinkelmeßsystems ausgebildet ist.
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