DE19934161A1 - Taumelscheibengetriebe und Getriebemotor - Google Patents

Abstract

Ein Taumelscheibengetriebe, wie es insbesondere zur Integration in einen kleinbauenden Getriebemotor geeignet ist, zeichnet sich durch einfachen Aufbau und guten Wirkungsgrad sowie dadurch aus, daß für den umlaufenden Verzahnungseingriff zwischen Taumelscheibe und Wellenscheibe kritische Toleranzketten über das Gehäuse vermieden werden, indem die axialen Reaktionskräfte jenes Verzahnungseingriffes längs der Welle aufgenommen werden. Zusätzlich wird die verdrehfest am Gehäuse arretierte Taumelscheibe, die aber relativ zu einer von der Welle getragenen und axial gegen die Welle abgestützten Hohlwelle rotiert, auf der Welle, die ihrerseits beidseitig im Gehäuse gelagert ist, gegen deren Scheibe axial verspannt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Taumelscheibengetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und einen damit ausgestatteten Getriebemotor.

Ein derartiges Getriebe und ein damit ausgestatteter Elektromotor sind aus dem deutschen Ge­ brauchsmuster 17 07 499 bekannt. Die Getriebefunktion beruht dabei im wesentlichen darauf, die gegenüber An- und Abtriebswelle spitzwinklig angestellte Achse einer Scheibe längs einer Kegelmantelfläche zu verschwenken, so daß sie eine Taumel- oder Präzessionsbewegung voll­ führt. Dafür ist die Taumelscheibe mittels eines doppelten Wälzlagers verdrehbar auf einem Hohlzylinder gehaltert, dessen Achse die erwähnte spitzwinklige Neigung gegenüber der Achse der tragenden Antriebswelle aufweist, auf welcher der Hohlzylinder seinerseits drehfest ange­ ordnet ist. Infolge der so von der Antriebswelle hervorgerufenen Präzessionsbewegung des Hohlzylinders rollt die senkrecht auf ihm stehende Taumelscheibe mit ihrem Rand - unter wech­ selseitigem Verzahnungseingriff mit gering unterschiedlicher Zähnezahl - längs des Randes einer gehäusefesten Gegenscheibe ab. Zum Auskoppeln der untersetzten Bewegung verläuft die glei­ che Taumel-Abrollbewegung längs der Verzahnung einer drehbar gelagerten Abtriebsscheibe, oder die Umlaufbewegung der Taumelscheibe wird über einen die Präzessionsbewegung auf­ nehmenden Kardanrahmen ausgegeben; wobei diese Kinematiken auch umkehrbar sind.

Ein solches Getriebe weist vor allem den Vorteil auf, trotz sehr großen Übersetzungsverhältnis­ ses wegen nur einstufiger Getriebefunktion und konzentrischer Anordnung von Antriebs- und Abtriebswelle in einem vergleichsweise kleinbauenden Gehäuse realisierbar zu sein. Nachteilig sind aber insbesondere der mäßige Wirkungsgrad und die hohen Herstellungskosten der beidsei­ tig für Taumelbewegungen zu verzahnenden Taumelscheibe bzw. der für die Bewegungsaus­ kopplung statt der zweiten Abwälzung erforderlichen Kardangelenke.

Ein ähnlich aufgebautes Taumelscheibengetriebe ist aus der DD-PS 125 803 (dort insbesondere. Fig. 1/2 und Fig. 8/9) bekannt. Die Taumelscheibe ist dort nicht auf einem geneigten Hohlzylin­ der gehaltert, sondern vor einer der Antriebswelle gegenüber geneigten Stützscheibe, um über diese die notwendigen Axialkräfte für einen zuverlässigen Verzahnungseingriff im Zuge der taumelnden Abwälzbewegung besser gewährleisten zu können. Denn auch dort beruht die Ge­ triebefunktion im wesentlichen darauf, die Taumelscheibe mit ihrem Zahnkranz längs einer ge­ häusefesten Verzahnung abwälzen zu lassen. Die taumelnde Auskopplung der untersetzten Drehbewegung erfolgt nun aber zwischen einer Innenverzahnung an der Taumelscheibe und einer Kugelverzahnung am Stirnende der Abtriebswelle. Dafür greift das frei vorkragende Ende der im einen Gehäuseteil gelagerten Antriebswelle, welche die Taumelscheibe trägt, zentral in das gegenüberliegend frei vorkragende Ende der im anderen Gehäuseteil gelagerten Abtriebs­ welle hinein, wodurch sich die beiden aufeinander zu ragenden Wellenstümpfe im Bereiche der Kugelverzahnung wechselseitig zentrieren. Auch hier können die Funktionen von An- und Ab­ triebswelle vertauscht werden.

Nachteilig an der Ausbildung dieses Getriebeaufbaus sind u. a. der kleine Durchmesser der, obendrein noch geometrisch komplizierten, Kugelverzahnung zwischen der schwankenden Taumelscheibe und der starr ausgerichteten Abtriebswelle bei vergleichsweise großen erforderli­ chen Wellendurchmessern für die gegenseitigen Stützfunktionen der stirnseitig axial fluchtend ineinandergreifenden Wellenstümpfe der An- und Abtriebswellen. Nachteilig ist ferner, daß die in einem solchen Getriebe - als Reaktion auf den kräftigen umlaufenden Andruck der Taumel­ scheibe bzw. auf die axialen Kraftkomponenten bei der Kraftübertragung an den Verzahnungs­ flanken - auftretenden relativ sehr hohen Axialkräfte vom der Welle gegenüberliegenden, also der Taumelscheibe benachbarten stirnseitigen Gehäuseteil aufgenommen werden müssen. Wenn das 14 ebenso wie die Verbindung der Gehäuseteile über deren Teilungsfuge hinweg nicht hinreichend formstabil ausgelegt ist, kann unter Last ein so großes Axialspiel an der umlaufend abwälzenden Verzahnung auftreten, daß hier die Drehmomentenübertragung aufgehoben wird weil die wechselseitige Verzahnung außer Eingriff gerät und übereinander hinweg ratscht. Damit ist eine übersetzungskonforme Drehzahl- oder Drehmomentenübertragung aufgehoben, was zu Funktionsstörungen in den angeschlossenen Geräten führen kann, ganz abgesehen vom irrever­ siblen Abrieb an den Zahnstirnen. Ein funktionszuverlässiger aber preiswerter da leichter und insbesondere im Kunststoffspritzguß erstellbarer Aufbau eines solchen Taumelscheibengetriebes wäre deshalb allenfalls in untersten Leistungsklassen denkbar.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Taumel­ scheibengetriebe gattungsgemäßer Art konstruktiv derart auszulegen, daß es bei einfacher Mon­ tagemöglichkeit trotz leichtbauenden Gehäuses auch unter Last aufgrund hinreichender Axial­ belastung des Verzahnungseingriffes eine zuverlässige und wirkoptimierte Arbeitsweise ver­ spricht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Auslegung mit den wesentlichen Merkmalen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Danach wird die Taumelscheibe axial nicht gegen das Gehäuse, sondern gegen eine mit der Welle umlaufende Scheibe abge­ stützt; und die als Reaktion darauf auftretende Axialkraft wird ebenfalls nicht in das Gehäuse eingeleitet, sondern von eben jener Welle aufgenommen, welche die Taumelscheibe verdrehbar trägt. Dadurch verbleiben die Axialkräfte in den eigentlichen Getriebeteilen, ohne das Gehäuse zu beanspruchen. Dieses kann nun einerseits konstruktiv leichtbauend (und deshalb ohne weite­ res auch im Kunststoffspritzguß) erstellt werden. Zugleich eröffnet sich damit andererseits die Möglichkeit, ein weit über den eigentlichen Getriebebereich hinaus ausladendes Gehäuse zur Aufnahme auch weiterer apparativer Funktionselemente im Zuge der Getriebekette - wie insbe­ sondere den Antriebsmotor eines Getriebeantriebes - zu gestatten; denn das Gehäuse bzw. die im Gehäuse angeordneten Lagerstellen gehen nun nicht mehr in die für den Verzahnungseingriff kritische Toleranzkette ein.

Das erfindungsgemäße Taumelscheibengetriebe, wie es insbesondere zur Integration in einen kleinbauenden Getriebemotor geeignet ist, zeichnet sich also u. a. dadurch aus, daß für den lokal umlaufenden Verzahnungseingriff zwischen Taumelscheibe und Wellenscheibe kritische Tole­ ranzketten über das geteilte Gehäuse vermieden werden, indem die axialen Reaktionskräfte jenes Verzahnungseingriffes längs der nun zentral durchlaufenden Welle aufgenommen werden. Zu­ sätzlich wird die nun verdrehfest am Gehäuse arretierte Taumelscheibe, die aber relativ zu einer von der Welle getragenen und axial gegen die Welle abgestützten Hohlwelle rotiert, auf der Welle, die ihrerseits beidseitig im Gehäuse gelagert ist, gegen deren Scheibe axial verspannt. Dabei wird die Taumelscheibe von einem geneigt gegenüber der Welle umlaufenden Hohlzylin­ der verdrehbar getragen aber mit radialen Vorsprüngen verdrehfest in achsparallelen Nuten am Gehäuse abgestützt.

Das wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zur Erfindung und ihrer zweckmäßigen Weiterbildungen näher veranschaulicht. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt vereinfacht aber angenähert maßstabsgerecht einen Getriebemotor mit hoch untersetzendem Taumelscheibengetriebe neben einem exzentrisch angeflanschten Miniaturmotor.

Das dargestellte Taumelscheibengetriebe 11 weist eine in einem Gehäuse 12 drehbar gelagerte Scheibe 13 auf, die drehstarr von einer demzufolge verdrehbaren Welle 14 getragen wird und vorzugsweise wie dargestellt einstückig mit ihr ausgebildet ist. Die einseitig aus dem Gehäuse 12 austretende metallene Welle 14 ist im Kunststoff-Gehäuse 12 mit der Funktion eines Gleitlagers 17 radial gehaltert und am dem Austritt gegenüberliegenden Stirnende zusätzlich axial abge­ stützt. Bei dieser Welle handelt es sich gewöhnlich um den Abtrieb, aber im Zuge der kinemati­ schen Umkehr ist auch ihre externe Beaufschlagung als Antriebswelle möglich.

Axial gegenüber der Scheibe 13 versetzt trägt die Welle 14, auf ihr verdrehbar, eine dagegen kürzere, manschetten- oder hülsenförmige Hohlwelle 15. Die Hohlwelle 15 trägt ihrerseits dreh­ starr, vorzugsweise wie skizziert einstückig damit ausgebildet, eine Triebscheibe 19 und, axial daneben, vorzugsweise auf Wälzlagern 18 verdrehbar, eine Taumelscheibe 20. Damit die Tau­ melscheibe 20 bzw. die Wälzlager 18 nicht axial verlaufen und dadurch den Verzahnungsein­ griff zur Scheibe 13 beeinträchtigen können, müssen an dieser Lagerstelle außer den radialen auch axiale Kräfte aufgenommen werden können. Dafür kann ein als Vierpunktlager ausgelegtes Wälzlager 18 dienen, das zur Scheibe 13 hin von einer Rippe axial hintergriffen ist, die an der Innenmantelfläche der zentralen Bohrung in der Taumelscheibe 20 radial vorstehend umläuft; oder diese Rippe ragt wie gezeichnet zwischen zwei axial von einander beabstandeten einfachen Kugellagern hinein. Auch die verdrehbare radiale Lagerung der Hohlwelle 15 auf der das Ge­ häuse 12 durchlaufenden tragenden Abtriebs-Welle 14 erfolgt, axial gedrängt unter der Taumel­ scheibe 20 gleich neben der Triebscheibe 19, vorzugsweise über Wälzlager 16, etwa doppelte dünne Rollenlager oder wie in der Zeichnung berücksichtigt über ein Nadellager.

Die Taumelscheibe 20 ist im Gegensatz zu den anderen Scheiben 13, 19 nicht direkt quer zu den Achsen der Wellen 14, 15 orientiert, sondern gegenüber der exakten Querorientierung um einen spitzen Winkel verschwenkt. Für eine dementsprechend gegenüber den Wellenachsen spitzwinklig geneigte Scheibendrehachse ist die zylindrische Außenmantelfläche der Hohlwelle 15 in dem Bereich der die Taumelscheibe 20 trägt, und damit auch dessen Lagerachse, um den Spitzen Winkel gegenüber den Wellenachsen geneigt. Die Hohlzylinderachse erscheint in diesem Endbereich also gegenüber der Hohlwellenachse gewissermaßen abgeknickt wie im einzelnen aus der Zeichnung ersichtlich.

Zum verdrehsicheren Festlegen gegenüber dem Gehäuse 12 ragt die Taumelscheibe 20 mit we­ nigstens einem radialen, stiftförmigen oder wie dargestellt rippenförmigen Vorsprung 21 in eine gegenüber dessen Erstreckung - je nach der Taumelneigung der Taumelscheibe längere - Nut 22 hinein, die sich im Gehäuse 12 parallel zu den Wellen 14, 15 erstreckt. Der Vorsprung 21 läuft also nicht gegen einen Anschlag am Ende der Nut 22, so daß das Gehäuse hier keine Axialkräf­ te, nur Kräfte in der konstruktiv unkritischen Umfangsrichtung aufzunehmen hat.

Eine der Scheiben 13 oder 20 ist nach Art einer Kronverzahnung 23 tellerförmig eingewölbt und randseitig mit einer Plan- oder Kegelverzahnung ausgestattet. Die gegenüberliegende Schei­ be 20 bzw. 13 trägt eine korrespondierende Verzahnung 24. Die Verzahnungen 23-24 sind auf­ grund des Anstellwinkels zwischen beiden Scheiben 13, 20 nur in einem Bereich über wenige einander benachbarte Zähne im Eingriff miteinander (in der Zeichnung momentan gerade im oberen Bereich). Mit einem Verdrehen der Hohlwelle 15 gegenüber der Scheibe 13 vollführt die aus dem Lot auf die Drehachse verschwenkte Taumelscheibe 20 eine axiale Taumelbewegung, wobei sie drehfest in den Gehäuse-Nuten 22 abgestützt 14, in denen die hier eingreifenden Vor­ sprünge 21 demzufolge eine Pendelbewegung parallel zu den Wellen 14, 15 durchführen. Damit wandert der Eingriffsbereich, also die wechselseitige Abstützung der gerade miteinander im Ein­ griff befindlichen Zahnflanken der Verzahnungen 23/24, über den Umfang der Scheibe 13. Wenn der schräg orientierte Hohlzylinder 25 angetrieben wird, dient demzufolge die Scheibe 13 als Abtriebsscheibe auf einer Abtriebs-Welle 14; andernfalls wird von der Welle 14 her über die Taumelscheibe 20 die Hohlwelle 15 mit ihrer Triebscheibe 19 angetrieben.

Die an den Zahnflanken im Eingriffsbereich der Verzahnung 23/24 auftretenden Reaktions­ kräfte tendieren zu einer Axialverlagerung der Taumelscheibe 20 auf der tragenden Welle 14 von der verdrehbaren Scheibe 13 fort und somit zum Überratschen der Zahnstirne, also ange­ sichts der geringen Zahnhöhen bei einem kleinbauenden Getriebe 11 zu Funktionsstörungen schon bei geringsten relativen Axialverlagerungen. Eine dagegen wirksame Abstützung der Taumelscheibe 20 und damit ihrer Hohlwelle 15 gegen das Gehäuse 12 würde eine im Verhält­ nis zu den übrigen Abmessungen des Getriebes 11 sehr stabile, hoch biegesteife Gehäusekon­ struktion bedingen. Deshalb erfolgt die Axialabstützung der Taumelscheibe 20 relativ zur ver­ drehbaren Scheibe 13 erfindungsgemäß nicht über das Gehäuse 12, sondern direkt über die Welle 14, die starr mit der Scheibe 13 ausgestattet ist. Dafür kann an der Welle 14 eine Schulter ausgebildet sein, gegen welche die Taumelscheibe 20 mittels ihrer Hohlwelle 15 axial anliegt. Für eine unkomplizierte Montage vorteilhafter ist es jedoch, in die Welle 14 neben der Hohl­ welle 15, von der Scheibe 13 abgelegen, eine umlaufende Nut zum Einsprengen einer handels­ üblichen Sicherungsscheibe 26 einzustechen, die ein axiales Ausweichen der Taumelscheibe 20 von der Kronverzahnung fort verhindert. So sind nun die axialen Stützkräfte in den drehenden Teilen des Getriebes 11 selbst abgefangen, ohne das Gehäuse 12 damit zu beaufschlagen; die Taumelscheibe 20 wird gewissermaßen auf der Welle 14 nicht nur drehbar gelagert, sondern der Scheibe 13 gegenüber auch axial verspannt.

Abgesehen von dem großen Vorteil der Entlastung des Gehäuses 12 weist die erfindungsgemäße Auslegung auch den Vorteil der sehr einfachen Montagemöglichkeit auf. Es braucht nämlich nur die metallene Dreh-Welle 14 in ein Gleitlager in Form eines Durchgangsloches eingesteckt zu werden, das direkt in eine aus Kunststoff gespritzten Gehäuseschale 27 eingeformt sein kann, weil es wegen der Metall-Kunststoff-Paarung hier keiner gesonderten Gleitlagerbuchse bedarf. Sodann wird die schon mit den Lagern 16, 18 und der Taumelscheibe 20 bestückte Hohlwelle 15 auf die tragende Welle 14 geschoben, wobei die radialen Vorsprünge 21 der Taumelscheibe 20 in ihre zum Stirnrand der Schale 27 offenen Nuten 22 achsparallel eingeführt werden, bis der in Montagerichtung voraus geneigte Bereich der Taumelscheibe 20 gegen die Dreh-Scheibe 13 zur Anlage (also zum Verzahnungseingriff) kommt Abschließend braucht nur noch ein Ge­ häusedeckel 28 mit Lagertopf 29 zur Aufnahme des freien Stirnendes der Welle 14 auf die Ge­ häuseschale 27 aufgerastet oder aufgeschraubt zu werden.

Da nun also Gehäusetoleranzen ohne Einfluß auf die Taumel-Verzahnung 23-24 sind, ist es nicht mehr notwendig ein extra biegesteif konstruiertes Gehäuse 12 möglichst eng und symme­ trisch um den Getriebezug umlaufend zu schließen. Vielmehr kann ein leichtbauendes Gehäuse 12 wie gezeichnet exzentrisch weit ausladend mit einer weiteren Vertiefung 30 zur Aufnahme eines kleinen elektrischen Antriebsmotors 31 (etwa in der Größenordnung eines Niederspan­ nungs-Spielzeugmotors) neben der Getriebe-Schale 27 ausgelegt sein. Über ein von seiner Ro­ torwelle 32 drehstarr getragenes Ritzel 33 und einen Zahnriemen 34 auf der Rie­ men-Triebscheibe 19 bewirkt der Motor 31 die Schwenkbewegung des Hohlzylinders 25 und damit die Drehbewegung der (Abtriebs-)Welle 14.

So ist aufbauend auf das erfindungsgemäße Taumelscheibengetriebe 11 mit seiner das - außer­ halb der getrieblichen Toleranzkette liegende - Gehäuse 12 durchquerenden zentralen Welle 14 in Weiterbildung der Erfindung ein extrem stark untersetzender und dennoch sehr kleinbauender Getriebemotor 35 realisiert, dessen leichtbauende exzentrische Gehäuse-Schale 27-30 von ei­ nem mit dem Lagertopf 29 ausgestatteten Spritzguß-Deckel 28 über Verschraubungen 36 und/oder Verrastungen 37 einfach verschließbar aber danach auch unproblematisch wieder zu­ gänglich ist.

Claims (11)

1. Taumelscheibengetriebe (11) mit einer in seinem Gehäuse (12) gelagerten Welle (14) mit ihr gegenüber drehfester Verzahnung (23) und mit einer dazu konzentrischen weiteren Welle (15) mit einem gegenüber den Wellenachsen geneigten Hohlzylinder (25), auf dem die Taumelschei­ be (20) verdrehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe (20) verdrehfest gegenüber dem Gehäuse (12) abgestützt ist und ihr Hohlzylinder (25) Teil einer Hohlwelle (15) ist die verdrehbar auf der erstgenannten Welle (14) ruht die das Gehäuse (12) durchquert und beiderseits des Hohlzylin­ ders (25) im Gehäuse (12) gelagert ist.

2. Taumelscheibengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine axiale Einspannung des Hohlzylinders (25) zwischen einer­ seits der gegen die Verzahnung (23) der Welle (14) axial abgestützten Taumelscheibe (20) und andererseits einem Widerlager auf der Welle (14) vorgesehen ist, die beiderseits dieser Einspan­ nung im Gehäuse (12) gelagert ist.

3. Taumelscheibengetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerlager als Sicherungsscheibe (26) ausgebildet ist, die in einer Nut in der Welle (14) axial gehaltert ist.

4. Taumelscheibengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe (20) mit radialen Vorsprüngen (21) in achsparallele Nuten (22) im Gehäuse (12) eingreift.

5. Taumelscheibengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe (20) über Wälzlager (18) auf dem geneigten Hohlzylinder (25) und dieser über Wälzlager (16) auf der Welle (14) getragen ist.

6. Taumelscheibengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallene Welle (14) neben einer zu ihr drehfesten Scheibe (13), an deren Umfang die Verzahnung (23) ausgebildet ist, durch ein Gleitlager (17) aus einer Kunststoff-Gehäuseschale (27) austritt.

7. Taumelscheibengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (14) einer zu ihr drehfesten Scheibe (13), an deren Um­ fang die Verzahnung (23) ausgebildet ist gegenüber in einem Lagertopf (29) axial und radial am Gehäuse (12) gehaltert ist.

8. Taumelscheibengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) eine Gehäuseschale (27) mit zu Ihrem Stirnrand hin offener Nut (22) zur Aufnahme der bestückten Welle (14) aufweist, die von einem Gehäu­ sedeckel (28) mit einem Lagertopf (29) für das Ende der Welle (14) verschließbar ist.

9. Taumelscheibengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (25) der geneigte Teil einer Hohlwelle (15) ist, die mit einer Triebscheibe (19) ausgestattet ist.

10. Taumelscheibengetriebe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Gehäuse (12) neben einer Schale (27) zur Aufnahme der bestückten Welle (14) eine Vertiefung (30) zur Aufnahme eines Antriebsmotors (31) aufweist, dessen Rotorwelle (32) über einen Treibriemen (34) und eine Triebscheibe (19) mit dem geneigt auf der Welle (14) rotierenden Hohlzylinder (25) in Drehverbindung steht.

11. Getriebemotor mit einem Taumelscheibengetriebe (11) nach wenigstens einem der vorange­ henden Ansprüche.