DE19900010C2 - Spielfreies Reibradgetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein spielfreies Reibradgetriebe z. B. für eine Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, vorzugsweise als Un­ tersetzungsgetriebe für eine Werkstückspindel einer Verzahnungs­ bearbeitungs-Maschine.

Die Bearbeitung von Verzahnungen erfordert eine sehr genaue und komplizierte Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, die sich aus mehreren rotativen und linearen Einzelbewegungen zusammensetzt. Bei den kontinuierlichen Verzahnungsbearbeitungs­ verfahren muss außer dem Werkstück auch noch das meist schnell drehende Werkzeug bezüglich seiner Winkelposition zu jedem Zeit­ punkt mit den übrigen Relativbewegungsanteilen koordiniert sein. Waren früher komplizierte und hochgenaue Getriebestränge notwen­ dig, um all die verschiedenen Bewegungen untereinander zu koor­ dinieren, erlaubt die heutige Steuerungstechnik, jeden Bewe­ gungsanteil über eine separate NC-Achse, meist mit einem direk­ ten Messsystem ausgerüstet, mit beliebigen 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 bear­ beitet werden, sind gewöhnlich erstens die geforderten maxima­ len 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 Langsa­ me zu groß sind für die geforderten Drehzahlbereiche an der Werkstückspindel. Zudem haben wirklich spielfreie Schnecken­ getriebe 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 Übertragungsqualität, 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 Werkstückspindellage­ rung nicht die axiale oder radiale Anpresskraft der Reibradrolle aufnehmen soll.

Aus der DE-OS 16 50 741 ist ein spielfreies Reibradgetriebe ge­ mäss Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Es umfasst ein Gehäu­ se. Am Gehäuse ist ein Hohlrad drehfest befestigt, dass eine in­ nere erste Lauffläche aufweist. Im Gehäuse ist koaxial zum Hohl­ rad eine erste Welle drehbar gelagert. An der ersten Welle ist ein Planetenträger befestigt, auf welchem mehrere Planetenräder drehbar gelagert sind. Koaxial zur ersten Welle ist eine zweite Welle drehbar gelagert, auf der ein Sonnenrad mit einer zweiten Lauffläche befestigt ist. Die Planetenräder rollen auf der zwei­ ten Lauffläche ab. Zwischen den Planetenrädern und der ersten Lauffläche sind paarweise Zwischenräder angeordnet, die mit Fe­ dern gegeneinandergespannt sind. Die Drehachsen der Planetenrä­ der sind im Planetenträger in Umfangsrichtung steif und spiel­ frei und in Radialrichtung nachgiebig gehalten. Durch eine Keil­ wirkung zwischen den Zwischenrollen einerseits und den Planeten­ rädern bzw. der ersten Lauffläche wird eine Selbstanpressung er­ reicht, so dass die Anpresskraft proportional zum übertragenen Drehmoment steigt. Dies erfordert allerdings ein in Radialrich­ tung äußerst steifes Hohlrad.

Aus der WO 96/30670 A1 ist ein weiteres Planeten-Reibradgetriebe bekannt. Eine Antriebsachse treibt eine Scheibe, in welcher über den Umfang verteilt achsparallele Bohrungen angeordnet sind. Ein Hohlrad hat auf der einen Seite Stifte, die mit Spiel in die Bohrungen eingreifen. Das Hohlrad ist ein biegeelastischer Ring. Die Planetenräder rollen auf der Innenfläche des Rings ab. Sie sind mit Spiel mit axialen Bohrungen auf Zapfen eines gehäusefe­ sten Planetenträgers aufgesteckt. Die Planetenräder rollen auf einem mit der Abtriebswelle verbundenen Sonnenrad ab. Der Innen­ durchmesser des Rings ist etwas geringer als die Summe des Durchmessers des Sonnenrades und des doppelten Durchmessers der Planetenräder. Der Zweck des Spiels der Stifte und der Zapfen besteht darin, durch Keilwirkung die Anpresskraft des Ringes auf die Planetenräder und der Planetenräder auf das Sonnenrad dem zu übertragenden Drehmoment anzupassen. Dies wird allerdings nur bei der Drehmomentübertragung von den Planetenrädern auf das Sonnenrad erreicht. Dem gegenüber schwankt die Anpresskraft der Planetenräder auf den Ring, weil die Keilwirkung nur in einem sehr engen Winkelbereich beim Überrollen der Stelle der Stifte durch die Planetenräder erreicht wird. Wegen des Spiels der Stifte schwankt daher auch das Drehzahlverhältnis mit derselben Periode. Das Getriebe ist mit Spiel behaftet. Bei Änderung der Drehmomentrichtung ist das übertragbare Drehmoment und die Dreh­ steifigkeit null.

In der DE 29 35 088 A1 ist ferner ein Planeten-Reibradgetriebe als Stand der Technik beschrieben, bei welchem das Hohlrad als biegeelastischer Kontaktring ausgebildet ist, auf dessen Innen­ fläche die Planeten abrollen. Der Durchmesser der Innenfläche ist geringer als die Summe des Durchmessers des Sonnenrades und des doppelten Durchmessers der Planeten. Allerdings ist nicht erläutert, wie der Kontaktring gegen Verdrehen gegenüber dem Ge­ häuse gesichert ist.

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 Plane­ ten-Getriebe, bei dem das Hohlrad gehäusefest montiert ist und über eine geeignete Deformation gleichzeitig für die Erzeugung der Andruckkraft zwischen Hohlrad und Planetenrädern einer­ seits und Planetenrädern und Sonnenrad andererseits herangezo­ gen 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 große Anpresskraft zwischen den Planeten 3 und dem Sonnenrad 2 bzw. dem Hohlrad 8 erforderlich. Erfindungsgemäß wird diese An­ presskraft erzeugt durch eine elastische Deformation des unte­ ren Reifens 16 des Hohlrades 8. Dieses ist so gefertigt, dass der Durchmesser seiner Innenfläche 7 kleiner ist als der Um­ kreis um die Planetenräder 3. Das Hohlrad 8 kann also die Pla­ neten 3 mit seiner Innenfläche 7 nur in leicht vieleckförmig deformiertem Zustand des Reifens 16 umfassen. In der Fig. 2 sind beispielhaft drei Planetenräder 3 gezeichnet, deshalb ist der Reifen 16 in diesem Fall leicht dreieckförmig. Das Bestre­ ben des Reifens 16, im so montierten Zustand seine ursprüngli­ che runde Form wieder anzunehmen, erzeugt die erforderliche Federkraft, um die Reibräder zum notwendigen festen Kontakt zu bringen. Mit der Dimensionierung des Querschnittes des Rei­ fens 16 des Hohlrades 8 und der Grösse der erzwungenen Unrund­ heit lässt sich die Anpresskraft in weiten Grenzen variieren 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 Stei­ figkeit und Spielfreiheit der Planeten 3 gegenüber dem Plane­ tenträger 6 in Umfangsrichtung, weil sonst die Drehsteifigkeit des ganzen Getriebes leiden würde. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem einstückigen Planetenträger 6, der so gestaltet ist, dass die Planetenachsen 5 von einem Lagerträger 13 gehalten werden, der über Biegegelenke 14 und Stege 15 in radialer Richtung elastisch, in Umfangsrichtung aber sehr steif mit dem Grundkörper 19 des Planetenträgers 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 (8)

1. Spielfreies Reibradgetriebe, umfassend ein Gehäuse (12), ein am Gehäuse (12) drehfest befestigtes Hohlrad (8) das 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 Planetenräder (3), eine koaxial zur ersten Welle (9) drehbar gelagerte zweite Welle (1), auf der ein Son­ nenrad (2) mit einer zweiten Lauffläche (21) befestigt ist, wo­ bei die Planetenräder (3) auf der zweiten Lauffläche (7, 21) ab­ rollen, und wobei die Drehachsen (5) der Planetenräder (3) im Planetenträger 86) in Umfangsrichtung des Planetenträgers (6) steif und spielfrei und in Radialrichtung nachgiebig gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lauffläche (7) an einem biegeelastischen Reifen (16) des Hohlrades (8) ausgebildet ist, der über einen biegeelastischen Zwischenbereich (18) mit einem starren, am Gehäuse (12) befestigten Befestigungsflansch (17) verbunden ist, dass die Planetenräder (3) auf der ersten Lauffläche (7) abrollen, und dass der Durchmesser der ersten Lauffläche (7) im ungespannten Zustand geringer ist als die Sum­ me des Durchmessers der zweiten Lauffläche (21) und des doppel­ ten Durchmessers der Planetenräder (3).

2. Getriebe nach Anspruch 1, wobei die Planetenachsen (5) über Biegegelenke (14) in Umfangsrichtung des Planetenträgers (6) steif mit diesem verbunden sind.

3. Getriebe nach Anspruch 2, wobei jede Planetenachse (5) in einem Lagerträger (13) angeordnet ist, der an zwei gegenüberlie­ genden Seiten über je zwei Stege (15) mit dem Planetenträger- Grundkörper (19) verbunden ist, wobei alle Stege (15) ein und desselben Lagerträgers (13) parallel zueinander sind.

4. Getriebe nach Anspruch 3, wobei die Stege (15) an beiden En­ den über biegeelastisch Dünnstellen (14) mit dem Grundkörper (19) bzw. dem Lagerträger (13) verbunden sind.

5. Getriebe nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Grundkörper (19), die Stege (15) und die Lagerträger (13) einstückig ausgebildet sind.

6. Getriebe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Lager­ träger (13) im Grundriss trapezförmig ausgebildet sind und alle Stege (15) gleich lang sind.

7. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Plane­ tenräder (3) oder beide Laufflächen (7, 21) ballig ausgebildet sind.

8. Getriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die zweite Welle (1) eine mit einem Motor (10) verbundene Antriebswelle und die erste Welle (9) die Abtriebswelle des Getriebes sind.