DE19900010A1 - Spielfreies Getriebe - Google Patents

Abstract

Das Getriebe umfasst ein Gehäuse (12), an dem ein Antriebsmotor (10) angeflanscht ist. Dessen Welle (1) trägt ein Sonnenrad (2), auf dem mehrere Planeten (3) abrollen. Die Planeten (3) sind an einem Planetenträger (6) gelagert der starr mit der Abtriebswelle (9) verbunden ist. Die Welle (9) ist im Gehäue (12) koaxial zur Welle (1) gelagert. Am Gehäuse (12) ist ein Flansch (17) eines topfförmigen Hohlrades (8) befestigt. Dessen unterer Reifen (16) hat innen eine Lauffläche (7), auf der die Planeten (3) abrollen. Der Durchmesser der Lauffläche (7) ist geringer als die Summe des Durchmessers des Sonnenrades (2) und des doppelten Durchmessers der Planeten (3), so dass der Reifen (16) elastisch deformiert ist. Die Planeten (3) sind in Umfangsrichtung steif und in Radialrichtung elastisch nachgiebig am Planetenträger (6) gelagert. Durch diese Ausbildung wird ein spielfreies, sehr drehsteifes Getriebe erreicht, mit dem hohe Drehmomente bei ruhigem Lauf übertragen werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein spielfreies Getriebe z. B. für eine Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, vorzugsweise als Unter­ setzungsgetriebe für eine Werkstückspindel einer Verzahnungs­ bearbeitungs-Maschine.

Die Bearbeitung von Verzahnungen erfordert eine sehr genaue und komplizierte Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werk­ stück, die sich aus mehreren rotativen und linearen Einzelbe­ wegungen zusammensetzt. Bei den kontinuierlichen Verzahnungs­ bearbeitungsverfahren muss ausser dem Werkstück auch noch das meist schnell drehende Werkzeug bezüglich seiner Winkelpositi­ on zu jedem Zeitpunkt mit den übrigen Relativbewegungsanteilen koordiniert sein. Waren früher komplizierte und hochgenaue Ge­ triebestränge notwendig, um all die verschiedenen Bewegungen untereinander zu koordinieren, erlaubt die heutige Steuerungs­ technik, jeden Bewegungsanteil über eine separate NC-Achse, meist mit einem direkten Messsystem ausgerüstet, mit beliebi­ gen Kopplungsfaktoren zu fahren.

Weil vor allem die Drehwinkelgenauigkeit des Werkstückes wäh­ rend der Bearbeitung, und damit die Drehwinkelgenauigkeit der Werkstückspindel, entscheidend ist für die Qualität der gefer­ tigten Verzahnungen, sind Antriebe dafür nur dann geeignet, wenn sie neben einem sehr ruhigen Lauf eine hohe Drehsteifig­ keit und völlige Spielfreiheit aufweisen. In der Vergangenheit ist auf unterschiedlichste Weise versucht worden, Antriebe für diese hohen Anforderungen zu bauen. Für Wälzfräsmaschinen sind häufig spielarm oder spielfrei einstellbare Schneckengetriebe für diesen Zweck eingesetzt worden, bei Wälzschleifmaschinen oft spielfreie Stirnradgetriebe oder einfache Reibradgetriebe. Bei Maschinen, bei welchen nur kleinere Momente an der Werk­ stückspindel auftreten, sind auch Direktantriebe über spiel­ freie Kupplungen anzutreffen. Ein solcher Direktantrieb hat viele Vorteile: Einmal ist eine hohe Drehsteifigkeit und Spielfreiheit zwischen Motor und Werkstückspindel ohne grossen Aufwand erreichbar, zum anderen ist der bauliche Aufwand im Verhältnis zu einer Lösung mit Getriebe gering.

Sollen auf einer Maschine aber auch grössere Verzahnungen be­ arbeitet werden, sind gewöhnlich erstens die geforderten maxi­ malen Werkstück-Drehzahlen geringer und zweitens die durch die Bearbeitungskräfte verursachten Momente grösser. Aus prakti­ schen, aber vor allem aus regelungstechnischen Gründen ist es in solchen Fällen vorteilhafter, einen kleineren Motor mit zwischengeschaltetem Getriebe für den Werkstückspindelantrieb zu verwenden, als einen Direktantrieb mit entsprechend grossem Motor. Regelungstechnisch ist das deshalb von Bedeutung, weil durch ein zwischengeschaltetes Getriebe das auf die Werkstück­ spindel wirkende Moment linear, das Massenträgheitsmoment des Werkstückes dagegen im Quadrat der Getriebeuntersetzung redu­ ziert wird auf die Motorwelle.

Schneckengetriebe kommen für diese Aufgabe heute oft nicht mehr in Frage, weil die benötigten Untersetzungen ins Langsame zu gross sind für die geforderten Drehzahlbereiche an der Werkstückspindel. Zudem haben wirklich spielfreie Schneckenge­ triebe grosse Reibung, was einen schlechten Wirkungsgrad er­ gibt und unerwünschte Erwärmung an empfindlicher Stelle er­ zeugt. Stirnradgetriebe haben den Nachteil, dass sie auch bei noch so sorgfältiger Fertigung immer eine, wenn auch geringe, Störschwingung von mindestens der Zahneingriffsfrequenz auf die Werkstückspindel übertragen. Reibradantriebe haben zwar eine sehr gute Übetragungsqualität, sind aber in der Momenten­ übertragung meist begrenzt, weil sie oft nur einen einzigen Reibkraftübertragungspunkt haben. Zudem sind Massnahmen für eine Kraftkompensation erforderlich, wenn die Werkstückspin­ dellagerung nicht die axiale oder radiale Anpresskraft der Reibradrolle aufnehmen soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein spielfreies Getriebe anzugeben, das einen ruhigen Lauf hat, hohe Drehmomente übertragen kann und drehsteif ist. Diese Auf­ gabe wird durch die Merkmalskombination der Ansprüche gelöst.

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Werkstückantrieb, der die Vorteile des Reibradantriebes, nämlich die äusserst gleichmässige und erschütterungsfreie Drehwinkelübertragung, aufweist, aber die Nachteile der begrenzten Drehmomentübertra­ gung und die Notwendigkeit einer Kraftkompensationseinrichtung nicht hat und zudem äusserst drehsteif aufgebaut werden kann.

Der erfindungsgemässe Antrieb ist von der Bauart her ein Pla­ neten-Getriebe, bei dem das Hohlrad gehäusefest montiert ist und über eine geeignete Deformation gleichzeitig für die Er­ zeugung der Andruckkraft zwischen Hohlrad und Planetenrädern einerseits und Planetenrädern und Sonnenrad andererseits her­ angezogen wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung der Einzelteile des Ge­ triebes ohne Gehäuse,

Fig. 2 einen Schnitt durch das montierte Getriebe, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Planetenträger mit zur bes­ seren Verdeutlichung übertrieben gezeichneter Un­ rundheit des Hohlrades.

Auf der Motorwelle 1 sitzt das Sonnenrad 2 mit einer zylindri­ schen Lauffläche 21, auf welcher die Planeten 3 abrollen. Die Planeten 3 sind an ihrer Lauffläche 22 am Umfang vorzugsweise leicht breitenballig bearbeitet, damit eine einwandfreie Kon­ taktstelle mit den Laufflächen 21 und 7 entsteht. Die Plane­ ten 3 sind über die Lager 4 und die Lagerzapfen 5 mit dem Pla­ netenträger 6 verbunden und rollen auf der im ungespannten Zu­ stand zylindrischen Innenfläche 7 des gehäusefesten Hohlra­ des 8 ab, welches die Form eines Topfes hat. Die mögliche An­ zahl Planeten wird bestimmt durch das gewünschte Unterset­ zungsverhältnis bzw. durch das Verhältnis von Hohlraddurchmes­ ser zu Sonnenraddurchmesser. Der Planetenträger 6 ist direkt verbunden mit der Werkstückspindel 9, welche die Abtriebswelle bildet.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch das Planetengetriebe im mon­ tierten Zustand. Der Antriebsmotor 10 überträgt sein Drehmo­ ment über Welle 1 und das Sonnenrad 2 auf die Planeten 3. Von den Lagerzapfen 5 wird die Umfangskraft auf den Planetenträ­ ger 6 und damit direkt auf die Werkstückspindel 9 weitergelei­ tet. Die Werkstückspindel 9 ist in den Lagern 11 koaxial zum Motor 10 im Gehäuse 12 geführt.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Planetenträger 6 einer Ausführungsform mit drei Planeten 3. Im aus einem Stück beste­ henden Planetenträger 6 sind die Planetenachsen 5 in je einem Lagerträger 13 gehalten, der über biegeweiche Zonen 14 und Stege 15 mit dem Planetenträger-Grundkörper 19 verbunden ist. In Fig. 3 ist nur einer der drei Lagerträger 13 dargestellt. Die anderen beiden sind gleich ausgebildet. Die Stege 15 jedes Lagerträgers 13 sind parallel zueinander, alle gleich lang und spiegelsymmetrisch zur gemeinsamen Ebene der Achsen des Son­ nenrades 2 und des betreffenden Planeten 3 angeordnet. Der La­ gerträger 13 ist im Grundriss trapezförmig. Dadurch wird er­ reicht, dass die beiden dem Sonnenrad 2 zugewandten Stege 15 weiter auseinander liegen. Dadurch wird eine hohe Steifigkeit um die Radialachse erreicht. Die zur Herstellung der gezeigten Struktur des Lagerträgers 13, der Stege 15 und Biegestellen erforderlichen Schlitze 23 und Durchbrüche 24 können durch Ausschneiden z. B. mittels Laser- oder Wasserstrahl, durch Fun­ kenerosion oder spanabhebende Bearbeitung hergestellt werden. Das Hohlrad 8 stützt sich mit seiner Innenfläche 7 über die Planeten 3 ab.

Für eine weitgehend schlupflose Übertragung des Drehmomentes vom Motor 10 zur Werkstückspindel 9 ist eine hinreichend gros­ se Anpresskraft zwischen den Planeten 3 und dem Sonnenrad 2 bzw. dem Hohlrad 8 erforderlich. Erfindungsgemäss wird diese Anpresskraft erzeugt durch eine elastische Deformation des un­ teren Reifens 16 des Hohlrades 8. Dieses ist so gefertigt, dass der Durchmesser seiner Innenfläche 7 kleiner ist als der Umkreis um die Planetenräder 3. Das Hohlrad 8 kann also die Planeten 3 mit seiner Innenfläche 7 nur in leicht vieleckför­ mig deformiertem Zustand des Reifens 16 umfassen. In der Fig. 2 sind beispielhaft drei Planetenräder 3 gezeichnet, des­ halb ist der Reifen 16 in diesem Fall leicht dreieckförmig. Das Bestreben des Reifens 16, im so montierten Zustand seine ursprüngliche runde Form wieder anzunehmen, erzeugt die erfor­ derliche Federkraft, um die Reibräder zum notwendigen festen Kontakt zu bringen. Mit der Dimensionierung des Querschnittes des Reifens 16 des Hohlrades 8 und der Grösse der erzwungenen Unrundheit lässt sich die Anpresskraft in weiten Grenzen vari­ ieren und so den Erfordernissen anpassen.

Für eine korrekte Funktion des Planetengetriebes muss das Hohlrad 8 mit dem Getriebegehäuse 12 möglichst drehsteif ver­ bunden sein. Dazu ist es mit seinem verstärkten Flansch 17 am starren Gehäuse 12 befestigt. An dieser Stelle kann es folg­ lich für das Hohlrad keine Deformationen geben. Damit der Rei­ fen 16 mit der Innenfläche 7 nun trotzdem die leicht dreiecki­ ge Form annehmen kann, ist er mit einer topfförmigen, sehr dünnwandigen und flexiblen Zone 18 mit dem Flansch 17 verbun­ den. Mit dieser Form ist eine hinreichende Flexibilität des Reifens 16 trotz sehr grosser Drehsteifigkeit gegenüber dem Gehäuse 12 gegeben.

Die gleiche Kraft, die die Innenfläche 7 des Hohlrades 8 auf die Planeten 3 ausübt, muss auch zwischen den Planeten 3 und dem Sonnenrad 2 wirken, weil auch die entstehenden Reibkräfte unter Last des Getriebes an diesen Berührungspunkten gleich gross sind. Damit aber am Sonnenrad 2 die Planeten 3 mit defi­ nierter Kraft anliegen können, müssen diese in radialer Rich­ tung in ganz geringem Masse beweglich sein. Diese radiale Be­ weglichkeit muss gewährleistet sein trotz grösstmöglicher Steifigkeit und Spielfreiheit der Planeten 3 gegenüber dem Planetenträger 6 in Umfangsrichtung, weil sonst die Drehstei­ figkeit des ganzen Getriebes leiden würde. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst mit einem einstückigen Planetenträ­ ger 6, der so gestaltet ist, dass die Planetenachsen 5 von ei­ nem Lagerträger 13 gehalten werden, der über Biegegelenke 14 und Stege 15 in radialer Richtung elastisch, in Umfangsrich­ tung aber sehr steif mit dem Grundkörper 19 des Planetenträ­ gers 6 verbunden ist.

Die beschriebene Konstruktion erlaubt es, trotz Verwendung von normalen Fertigungstoleranzen beim Sonnenrad 2, den Planeten 3 und der Hohlradlauffläche 7 ein Reibradgetriebe herzustellen, das höchste Drehsteifigkeit und vollständige Spielfreiheit aufweist, eine genau definierte Anpresskraft für die Reibkon­ taktstellen gewährleistet, keinerlei Querkräfte ausübt auf die Abtriebswelle 9 und, bezogen auf den Umlaufradius der Plane­ tenachsen, doppelt so viele Reibkraftübertragungspunkte hat, wie es Planeten besitzt. Das Getriebe hat einen sehr ruhigen Lauf.

Claims (9)

1. Spielfreies Getriebe, umfassend ein Gehäuse (12), ein am Gehäuse (12) drehfest befestigtes Hohlrad (8) mit einem Reifen (16), der eine innere erste Lauffläche (7) aufweist, eine im Gehäuse (12) koaxial zum Hohlrad (8) drehbar gelagerte erste Welle (9), an welcher ein Planetenträger (6) befestigt ist, mehrere am Planetenträger (6) drehbar gelagerte Planeten­ räder (3), eine koaxial zur ersten Welle (9) drehbar gelagerte zweite Welle (1), auf der ein Sonnenrad (2) mit einer zweiten Lauffläche (21) befestigt ist, wobei die Planetenräder (3) auf der ersten und zweiten Lauffläche (7, 21) abrollen, wobei der Durchmesser der ersten Lauffläche (7) im ungespannten Zustand geringer ist als die Summe des Durchmessers der zweiten Lauf­ fläche (21) und des doppelten Durchmessers der Planetenrä­ der (3), und wobei die Drehachsen (5) der Planetenräder (3) im Planetenträger (6) in Umfangsrichtung des Planetenträgers (6) steif und spielfrei und in Radialrichtung nachgiebig gehalten sind.

2. Getriebe nach Anspruch 1, wobei das Hohlrad (8) die Form eines Topfes hat mit dem biegeelastisch ausgebildeten Reifen (16), der über einen biegeelastischen Zwischenbe­ reich (18) mit einem starren Befestigungsflansch (17) verbun­ den ist, welcher am Gehäuse (12) befestigt ist.

3. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Planetenach­ sen (5) über Biegegelenke (14) in Umfangsrichtung des Plane­ tenträgers (6) steif mit diesem verbunden sind.

4. Getriebe nach Anspruch 3, wobei jede Planetenachse (5) in einem Lagerträger (13) angeordnet ist, der an zwei gegen­ überliegenden Seiten über je zwei Stege (15) mit dem Planeten­ träger-Grundkörper (19) verbunden ist, wobei alle Stege (15) ein und desselben Lagerträgers (13) parallel zueinander sind.

5. Getriebe nach Anspruch 4, wobei die Stege (15) an bei­ den Enden über biegeelastische Dünnstellen (14) mit dem Grund­ körper (19) bzw. dem Lagerträger (13) verbunden sind.

6. Getriebe nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Grundkör­ per (19), die Stege (15) und die Lagerträger (13) einstückig ausgebildet sind.

7. Getriebe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Lagerträger (13) im Grundriss trapezförmig ausgebildet sind und alle Stege (15) gleich lang sind.

8. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Planetenräder (3) oder beide Laufflächen (7, 21) ballig ausge­ bildet sind.

9. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zweite Welle (1) eine mit einem Motor (10) verbundene An­ triebswelle und die erste Welle (9) die Abtriebswelle des Ge­ triebes sind.